JP4096838B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速・低損失であるだけでなく、ソフトリカバリー特性をも兼ね備えたダイオードまたはＩＧＢＴとそれらの製造方法に関するものである。

現在広く用いられている図１６に示すｐｉｎダイオード（従来例Ｂ）は、オン状態からオフ状態にスイッチするとき（逆回復時）には、過渡的に大きな逆向きの電流がダイオードに流れる。これを逆回復電流というが、この逆回復時ダイオードに、定常的な状態よりも大きな電気的損失が生じる。この損失を小さくし、高速化することが、ダイオードの特性として強く要求される。さらに、この逆回復時ダイオード内部には、定常状態の場合に比べて高い電気的責務が生じる。ダイオードに流れる定常電流を大きくしたり、阻止状態の電圧を大きくすると、この電気的責務が大きくなり、そのためダイオードが破壊することがある。電力用途のダイオードにおいて高い信頼性を保証するためには、この逆回復耐量を、定格よりもはるかに大きくすることが強く要求される。

現在、ｐｉｎダイオードの逆回復特性および耐量を改善するための対策として、重金属拡散や電子線照射などを用いた少数キャリアのライフタイム制御が広く適用されている。すなわち、ライフタイムを小さくすることで、定常状態における総キャリア濃度が低減されるため、逆回復中に空間電荷領域の広がりで掃き出されるキャリア濃度が減少し、逆回復の時間や逆回復ピーク電流、逆回復電荷を小さくすることができ、逆回復損失を低減できる。また、ホールが空間電荷領域を走り抜けることによる逆回復中の電界強度も、そのホール濃度の減少により緩和されるため、責務が小さくなり逆回復耐量が向上する。
一方、ダイオードのソフトリカバリー化も重要な課題である。近年環境問題などにより、パワーエレクトロニクス機器から発生する電磁ノイズの低減が要求されており、その対応策の一つに、ダイオード逆回復をソフトリカバリーにして、発振等ノイズの原因を抑えることがある。ソフトリカバリー化の手段としては、アノード側からの少数キャリア注入効率を低くするとよい。この手段で代表的には、Ｍｅｒｇｅｄ Ｐｉｎ／Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｄｉｏｄｅ（ＭＰＳ）（非特許文献１参照）やＳｏｆｔ ａｎｄ Ｆａｓｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅ（ＳＦＤ）（非特許文献２参照）などがある。このＭＰＳダイオードは、ｐｉｎダイオードのアノード層がｐ領域とショットキー領域とで構成されている。

逆回復動作の高速・低損失特性とソフトリカバリー特性の間には、トレードオフの関係がある（非特許文献３参照）。即ち、ソフトリカバリーにするには、特にカソード側に少数キャリアを多く蓄積させ、逆回復時に空間電荷領域がアノード側からカソード側に向かって広がる時に、できるだけカソード側少数キャリアを残すことで、アノード電流の減少率ｄｉｒ／ｄｔを小さくする。しかしながらそのために、逆回復損失が増加し、逆回復の終了までに時間を要する。一方、反対に、高速低損失逆回復にするということは、オン時にドリフト層に蓄積する少数キャリアを少なくすることであるが、そのためにいわゆるスナッピーな逆回復（ハードリカバリー）となり、電圧、電流ともに発振する場合がある。
例えば、非特許文献６に示されているように、逆回復過程が終了する前にｎ^- ドリフト層内の余剰キャリアが消滅すると、ｄｉｒ／ｄｔが急激に増加するため、ダイオードのアノード・カソード電圧Ｖａｋもそれに伴って増加してサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、素子内部に電界集中を引き起こすため、素子耐圧破壊をもたらす。更にそのサージ電圧がトリガーとなり、振動波形となる。この振動波形が、インバータ等の電力変換装置からの放射ノイズの発生源となる。従って、逆回復時には、ダイオードが電流阻止の定常状態に達するまでの途中で余剰キャリアが消滅しないようにしなければならない。

また、素子耐圧を損なわない範囲でｎ^- ドリフト層を薄くして逆回復電荷を減少させて、逆回復損失を低減する方法もあるが、逆回復時のカソード側蓄積キャリアを減らすこととなり、余剰キャリアが逆回復中に消滅しやすくなるため、結果として発振しやすくなる。よって、現状の方法では、ソフトリカバリー特性を維持しながら逆回復損失を低減することは極めて困難になりつつある。
上記トレードオフを改善する方法の代表例の一つは、前述の低注入構造とドリフト層厚の低減を組合せることである。少数キャリアの注入効率を下げることで、カソード側余剰キャリアを増やしてソフトリカバリー化を図り、かつドリフト層厚を低減すれば、ソフトリカバリー化を達成しかつ高速逆回復化も可能である。また、プロトンやヘリウムイオン等の軽イオン粒子線の照射により、ライフタイムの局所制御でソフトリカバリー化を向上する方法もある。しかしながらこれらの場合、ドリフト層厚の減少により、耐圧の低下だけでなく、ソフトリカバリー化の限界がある。これは、逆回復時のドリフト層内における空間電荷領域の拡張が、主にドリフト層のドナー分布に依存するため、印加電圧が素子耐圧以下の範囲で高くなれば、低注入化を行っていたとしても結局はドリフトにより空間電荷領域へのキャリアの掃き出しは多くなり、その結果ハードリカバリーとなるからである。

上記トレードオフを改善する他の例として、ドリフト層のドナー分布を工夫する方法がある。例えば、図１７（従来品Ｃ）に示すダイオードでは、ｎドリフト層８１を２つの領域８１ａ、８１ｂに分けて、ｐアノード層８２側を高比抵抗（低濃度）にし、ｎカソード層８３側を低比抵抗（高濃度）にすることで、空乏層の伸びをある電圧以上で抑えている（特許文献１参照）。
図１８（従来品Ｄ）に示すダイオードでは、ｎカソード層９３に向かって徐々に比抵抗が低くなる構造をなし、同様にソフトリカバリー化を図っている。しかしながら逆回復時のキャリアの掃き出しでは、ｐアノード層９２側が高比抵抗の場合、アプリケーションの動作モード（高電圧低電流等）によってはキャリアがドリフトで掃き出される量が却って多くなることがあり、ハードリカバリーとなる（特許文献２参照）。

また、発明者らが提案した特願２００１−４８６３１号に開示されている図１５（従来品Ａ）に示すダイオードでは、ｎドリフト層６１の略中間に、ｎドリフト層６１よりは低比抵抗でそれ自身逆バイアス時に空乏化する濃度および厚さのｎバッファ層６１ａを設けることで、空乏層の伸びを制御し、ソフトリカバリー化と高速化の双方を著しく向上させる構造を提供した。しかしながら、この構造の場合、ｎバッファ層６１ａの存在により、逆回復時に空間電荷領域が丁度ｎバッファ層６１ａに達するときに電圧上昇率ｄＶ／ｄｔが増加するという現象（逆回復電圧のピーク近傍のｄＶ／ｄｔが増加する現象）が観測された。これは、ノイズ低減という観点からデメリットとなるため、このｄＶ／ｄｔの増加を抑制する必要がある。
更に、逆回復損失の低減、ソフトリカバリー特性の一層の向上、逆回復電圧のｄＶ／ｄｔの抑制および逆回復電圧・電流波形の振動の抑制ができる半導体装置として特願２００２−２１４６５７号を出願した。この、特願２００２−２１４６５７号に開示されているダイオードを図１９（従来品Ｅ）に示す。図１９の（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の不純物濃度の分布図である。この半導体装置の表面構造は通常のｐｉｎダイオードの場合と同じで、ｐアノード層は活性領域全面に形成されている。尚、背景技術及びこれから説明する実施例の図において活性領域のみを断面で示した図を用いて説明しているものがあるが、この活性領域の外側には電力用途の素子で採用されているガードリング、フィールドプレートあるいはＲＥＳＵＲＦなどの耐圧構造が設けられる。そして、アノード側表面の外周端には、ｐ型領域のストッパ領域が設けられ、その表面にはストッパ電極が設けられる。このストッパ領域によって、空乏層が外周端まで達しないので、ｎドリフト層１１がチップの外周側面に露出しても特に問題ない。このため、チップ側端では切断後に特別な処理を施さなくともよい。

図１９において、ｎドリフト層１１の一方にｐアノード層１２を形成し、他方にｎカソード層１３を形成し、ｐアノード層１２上にアノード電極１４、ｎカソード層１３上にカソード電極１５を形成する。このｎドリフト層１１の不純物濃度は、同図（ｂ）で示すように中央付近でピークとなり、このピークの位置Ｘｐからｐアノード層１２側およびｎカソード層１３側に緩やかに減少するようにする。
特開平０８−１４８６９９号公報 特開平０８−３１６５００号公報 ビイ・ジェイ・バリガ（Ｂ．Ｊ．Ｂａｌｉｇａ）「ザ ピンチ レクチファイアー（Ｔｈｅ ｐｉｎｃｈ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）」アイイーイーイー エレクトロン デバイセス（ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．ＥＤ−５、ｐ１９４，１９８４． エム．モリ．他（Ｍ．Ｍｏｒｉ，ｅｔ．ａｌ．）,「ア ノーベル ソフト アンド ファースト リカバリ ダイオード（ＳＦＤ）ウイズ スイン ピーレイヤ フォームド バイ アルミ−シリコン エレクトロード（Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｏｆｔ ａｎｄ Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅ（ＳＦＤ）ｗｉｔｈ Ｔｈｉｎ Ｐ−ｌａｙｅｒ Ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ Ａｌ−Ｓｉ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）」プロシーディングス オフ アイエスピーエスディ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＳＰＳＤ‘９１）ｐｐ１１３−１１７，１９９１． エム.ネモト，他（Ｍ．Ｎｅｍｏｔｏ，ｅｔ．ａｌ．），「アン アドバンスド エフダブリュディ デザイン コンセプト ウイズ スペリア ソフト リバース リカバリ キャラクタリスティック（Ａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＦＷＤ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｉｏｒ Ｓｏｆｔ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）」プロシーディングス オフ アイエスピーエスディ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＳＰＳＤ２０００）ｐｐ１１９−１２２，２０００． エム.ネモト，他（Ｍ．Ｎｅｍｏｔｏ，ｅｔ．ａｌ．），プロシーディングス オフ アイエスピーエスディ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＳＰＳＤ‘９８）ｐｐ３０５−３０８，１９９８．

従来品Ｅ（以下、ブロードバッファ構造と称する）では、高速・低損失なだけでなく、発振を抑制するソフトリカバリーなダイオードを提供することを可能にした。しかしながら、このブロードバッファ構造の濃度分布を得るためには、高濃度なＣＺ（チョクラルスキ）基板もしくは低濃度なＦＺ（フローティングゾーン）基板上に、エピタキシャル成長によりリン濃度を連続的に変化させながら作成するか、ＦＺバルクウエーハにプロトン等のドナー準位を形成する軽イオンを照射することで作成しなければならなかった。これらの方法で作成したブロードバッファの場合、ＦＺバルクウエーハのみを用いるＰＩＮダイオードに比べて製造コストが高いという問題がある。つまり、エピタキシャル成長で形成したブロードバッファ構造は基板の値段に加えてエピタキシャル成長の値段がかかり、プロトン照射の場合はサイクロトロン使用に伴うコスト増があるためである。
一方、近年６００Ｖから１２００Ｖの汎用クラスのＩＧＢＴやＦＷＤには、安価なＦＺウエーハを１００μｍ前後まで研削して薄い縦型の素子を形成する方法が主流となりつつあり、性能のみならずコストパフォーマンスの向上も要求されているのが現状である。しかしながら、このＦＺウエーハを１００μｍ前後に研削して形成する場合、Ｎ⁻層の濃度分布は深さ方向に一様な分布でしか有りえなかった。このため、従来品Ｅのような低損失とソフトリカバリー特性を両立するコンセプトをＦＺウエーハを１００μｍ前後に研削して形成する場合に適用することができなかった。従って、この発明の目的は、前記の課題を解決して、逆回復時のｄＶ／ｄｔの増加を抑制し、逆回復時の波形振動を抑制し、高速・低損失特性とソフトリカバリー特性両者を同時に向上する半導体装置をＦＺバルクウエーハを用いて安価に提供することである。

上述した課題を解決して目的を達成するため、この発明は、Ｎ型不純物であるリンを含有するＦＺウエーハの一方の主面及び他方の主面から、前記リンの濃度よりも低い濃度となるように、ボロンよりも拡散係数の大きいＰ型不純物である、例えばアルミニウム、ガリウム、インジウム及び亜鉛の少なくとも１つを１２００℃以下の温度で両面全面に拡散させて、Ｎ^-ドリフト層の濃度を補償させることで、ＦＺウエーハの両表面のネットドーピング濃度がリン濃度よりも少なくなるように形成する。これにより、ＦＺウエーハを用いて容易にブロードバッファ構造を形成することができる。そして、このＦＺウエーハの両表面のネットドーピング濃度がリン濃度よりも少なくなるように形成したＦＺウエーハを用いたダイオード、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴとする。

本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、安価なＦＺウエーハに対して簡単な方法で、これまでにないウエーハ内部深く迄のネットドーピング濃度分布を制御してブロードバッファ構造を形成することが可能になる。その結果、逆回復時間および損失を低減すると共にソフトリカバリー特性をも向上させた安価なダイオードあるいは発振の抑制されたＩＧＢＴあるいはスムーズで高速な逆回復が可能なＭＯＳＦＥＴを提供できる。これにより、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、ＩＰＭ（インテリジエントパワーモジュール）の安価な提供が可能となる。

図１は、本発明の最良の形態を示す実施例であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線の断面における不純物濃度の分布図、（ｃ）はＸ−Ｘ線の断面における電界分布図である。図１において、Ｎ⁻ドリフト層１のアノード側となる一方の主面からアルミニウム、ガリウムまたはインジウムがＦＺのＮ⁻バルクウエーハの全面に一様に導入される。この時にアルミニウム、ガリウムまたはインジウムの最大濃度はＦＺのＮ⁻バルクウエーハのリン濃度よりも低くする。またカソード側となる他方の主面から亜鉛がＮ⁻バルクウエーハの全面に一様に導入される。この時に亜鉛の最大濃度はＦＺのＮ⁻バルクウエーハのリン濃度よりも低くする。これらアルミニウム、ガリウム、インジウムまたは亜鉛の導入は、ガウス分布にて一様の拡散とする。これにより、アクセプタがドナーを一方の主面および他方の主面の各表面近傍で強く補償することで、ネットドーピング濃度分布が、両主面で低く、ウエーハの深さ方向の中央に向かって、徐々に高くなっていく、ブロ−ドバッファ構造となり、中央部分が実効Ｎバッファ層１ａとなる。なお、一方の主面と他方の主面には異なる拡散係数の不純物元素を導入しているので、ネットドーピング濃度の高い部分を任意の深さ位置に設定することができる。このようにして、特願２００２−２１４６５７号のブロードバッファ構造と同じような濃度分布のウエーハを安価なＦＺウエーハを用いて形成することができる。なお、Ｐアノード層２、ガードリング６およびＮ^＋カソード層３は一般的な拡散あるいはイオン注入で形成することができる。また、用途によってはダイオードの素子特性として、両主面から不純物濃度分布を変えなくとも、どちらか一方の主面から不純物濃度分布を変えるだけで十分な場合も考えられる。このような場合は、例えば、表面側はＮ⁻バルクウエーハのリン濃度のままとしておき、裏面側のみ亜鉛を導入して裏面側からの不純物濃度分布を変えればよい。また、その逆に表面側のみにアルミニウム、ガリウムおよびインジウムのいずれかを導入して表面側のみ不純物濃度分布を変えてもよい。いずれにも本発明の製造方法は適用できる。

図１の（ｂ）に置き換えて図１９の（ｂ）を用いて説明すると、ｎドリフト層１において、ネットドーピング濃度Ｎｄ（Ｘ）が、ｎドリフト層１内の位置Ｘｐにおいて最大濃度を持ち、Ｘｐからアノード電極４方向またはカソード電極５方向に向かって、アルミニウム、インジウム、ガリウムまたは亜鉛の拡散によって、なだらかに不純物濃度が減少するように形成されている。ｐアノード層２とアノード電極４の境界を始点（０）として、ｐアノード層２とｎドリフト層１の境界（接合）までの距離をＸｊとし、ｎカソード層３とｎドリフト層１の境界までの距離をＷｄとした場合に、ＸｊからＷｄまでのネットドーピング濃度分布Ｎｄ（Ｘ）を積分し、Ｗｄ−Ｘｊで割った平均ネットドーピング濃度Ｎｄｍを、

とすると、Ｎｄ（Ｘ）とＮｄｍとの交点が２点与えられ、それをＸｃ、Ｘｄとそれぞれ置くことができる。このＸｃとＸｄに挟まれる領域が実効的なｎバッファ層（実効ｎバッファ層１ａ）となる。また、ｐアノード層２とｎドリフト層１の交点での不純物濃度をＮ１、ｎカソード層３とｎドリフト層１の交点での不純物濃度をＮ２とした場合にＮ１≦Ｎ２となるようにする。
ここで、本発明品のｎドリフト層１の平均ネットドーピング濃度Ｎｄｍは、上記積分濃度をｎドリフト層１の幅で割れば求められ、その値は約８×１０¹³ｃｍ^-3である。この濃度となるネットドーピング濃度は、図１のように２点存在する。その２点間（Ｘｃ、Ｘｄ）での積分濃度は実効ｎバッファ層１ａの積分濃度（以下、実効バッファ積分濃度という）となり、その値は約５×１０¹¹ｃｍ^-2で、後述する従来品Ａのｎバッファ層の積分濃度とほぼ同じである。このためソフトリカバリー効果は十分得られ、逆回復電圧・電流の振動が抑制される。

逆回復電圧のピーク近傍のｄＶ／ｄｔの抑制効果は、図２に示すように、ｎドリフト層１の最大ネットドーピング濃度Ｎｐと平均ネットドーピング濃度Ｎｄｍの比に依存する。また、空乏層のピン止め効果（空乏層の伸びをストップさせる効果）は、ｎバッファ層１の最大ネットドーピング濃度Ｎｐがｎドリフト層平均ネットドーピング濃度Ｎｄｍよりも高いほど大きい。
その理由は次のように説明できる。ｎバッファ層１のネットドーピング濃度が高いほど、ｎバッファ層１ａへの空乏層（＝空間電荷領域）の侵入が抑えられる。
従って、電圧が増加している時に空間電荷領域がｎバッファ層１ａへ達すると、電圧の増加分δＶはｐアノード層２側のネットドーピング濃度が低い（高比抵抗の）ｎドリフト層１でのみ担うため、その電界強度は急激に増加する。このためｄＶ／ｄｔが増加する。従って、ｎドリフト層１（ｎバッファ層１ａ）の最大ネットドーピング濃度Ｎｐを抑えればｄＶ／ｄｔは抑制できる。

従って、本発明品は逆回復電流のピークを越えた後での振動が抑制され、さらに、逆回復電圧のピーク近傍でのｄＶ／ｄｔが緩やかになる。
図３は、本発明品において、ｎドリフト層１（ｎバッファ層１ａ）の最大ネットドーピング濃度Ｎｐと平均ネットドーピング濃度Ｎｄｍの比であるＮｐ／ＮｄｍとｄＶ／ｄｔの関係を示す図である。ここで、ｄＶ／ｄｔは従来品Ｂの値で規格化している。また、図２に、逆電圧波形とＮｐ／Ｎｄｍの関係を示す。Ｎｐ／Ｎｄｍが小さくなるとｄＶ／ｄｔが小さくなる。
図３に示すように、Ｎｐ／Ｎｄｍが５より小さければ、ｄＶ／ｄｔは従来品Ｂの２倍よりも小さくなり、Ｎｐ／Ｎｄｍが２より小さければ、ほぼ従来例Ｂと同じｄＶ／ｄｔとなっている。したがって望ましくは、Ｎｐ／Ｎｄｍは２以下が良い。勿論、波形振動はなく、Ｎｐ／Ｎｄｍが２０である従来品ＡよりもｄＶ／ｄｔの値は小さくなる。

尚、従来品Ｂは前記したようにｄＶ／ｄｔは小さいが、逆回復電圧・電流波形が振動する。
図４は、本発明品にて、実効バッファ積分濃度（ネットドーピング）による、素子耐圧（ブレークダウン電圧）の依存性を示す図である。素子耐圧は、従来品Ｂの耐圧にて規格化してある。横軸が実効バッファ積分濃度（ネットドーピング）である。
ｐアノード層２側からｎカソード層３側に向かう任意の２点間の電界強度の減少分（電界強度の勾配）は、その２点間のｎドリフト層１（含むｎバッファ層１ａ）の積分濃度差によって決まる。
従って、その値を調整して電界強度の勾配を減らし、耐圧を損ねない様にする必要がある。図４に示すように、実効バッファ積分濃度が８×１０¹¹ｃｍ^-2を超えると、耐圧の減少分が大きくなることがわかる。さらに実効バッファ積分濃度（ネットドーピング）が６×１０¹¹ｃｍ^-2であれば、耐圧減少は無いことが判る。従って、実効バッファ積分濃度（ネットドーピング）は、８×１０¹¹ｃｍ^-2以下か、望ましくは６×１０¹¹ｃｍ^-2以下がよい。

図５は、逆回復電流減少率ｄｊｒ／ｄｔと、Ｘｐと位置指標の比の関係を示す図である。この図はＸｐを位置指標（横軸の式の分母）に対して変化させたときのｄｊｒ／ｄｔを、位置指標との比が１の場合について規格化して示した。また、縦軸の逆回復電流減少率ｄｊｒ／ｄｔの電流は電流密度（Ａ／ｃｍ²）で表現した場合である。前記の位置指標とは、

のことである。この位置指標の物理的意味は筆者らが特願２００１─４８６３１号で説明済である。
図５において、ｎドリフト層１または実効ｎバッファ層１ａの最大ネットドーピング濃度Ｎｐの位置Ｘｐが位置指標と同じときに、最もｄｊｒ／ｄｔが小さくなり、ソフトリカバリーになる。全般的に従来品Ｂ（●で示す）よりもｄｊｒ／ｄｔは小さくでき、指標０．３から１．７の間で効果的に小さくできる。特に比が０．８から１．２の間で最もｄｊｒ／ｄｔが小さくなる。従って、比は０．３から１．７の間がよく、さらに、０．８から１．２の間が望ましい。
図６は、本発明品において、ｎドリフト層全体の積分ネットドーピング濃度と、逆回復損失Ｅｒｒと逆回復電流減少率ｄｊｒ／ｄｔとの関係を示した図である。横軸がｎドリフト層全体の積分ネットドーピング濃度である。ｎドリフト層１全体の積分濃度（ネットドーピング）は、実効バッファ積分濃度（ネットドーピング）を５×１０¹¹ｃｍ^-2に固定して、ｎドリフト層の幅（Ｗｄ−Ｘｊ）を変えて変化させた。この図から、ｎドリフト層全体の積分濃度（ネットドーピング）が、約１．３×１０¹²ｃｍ^-2を超えると、素子は耐圧時でも空乏層がｎカソード層に達しない、所謂、ノンパンチスルー型となる。

また、図６から、積分濃度（ネットドーピング）が１．３×１０¹²ｃｍ^-2を超えるとＥｒｒの増加は大きくなり、２×１０¹²ｃｍ^-2以上では急激にＥｒｒが増加する。このようにｎドリフト層の幅を増加させて積分濃度（ネットドーピング）を増やせば、Ｅｒｒの増加につながってしまう。
前記から、ｎドリフト層全体の積分濃度（ネットドーピング）は注意深く設計する必要がある。Ｅｒｒの急激な増加を抑えるためには、積分濃度（ネットドーピング）は２×１０¹²ｃｍ^-2以下、望ましくは１．３×１０¹²ｃｍ^-2以下がよい。
また、発振を抑えて逆回復電流減少率ｄｊｒ／ｄｔを十分小さくするためには、同様に積分濃度（ネットドーピング）を適切に設定しなければならない。同じく図６から、積分濃度（ネットドーピング）が８×１０¹¹ｃｍ^-2未満となると、素子厚は約１００μｍと薄くなるため発振が生じるようになる。従って、積分濃度（ネットドーピング）は８×１０¹¹ｃｍ^-2以上とする必要がある。

以上により、積分濃度（ネットドーピング）の範囲は、８×１０¹¹ｃｍ^-2以上、２×１０¹²ｃｍ^-2以下とし、望ましくは８×１０¹¹ｃｍ^-2以上、１．３×１０¹²ｃｍ^-2以下であるとよい。また、ｎカソード層３の表面濃度は、カソード電極５と低抵抗でコンタクトさせるために、少なくとも１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であるとよい。臨界電界強度になったときの電界分布と積分濃度を検討すると、この積分濃度はｎドリフト層全域で１．３×１０¹²ｃｍ^-2の場合とすると、空乏層はｎドリフト層端に達する。
図７は、本発明品において、ｐアノード層２とｎドリフト層１のｐｎ接合Ｘｊ近傍におけるｎドリフト層１のネットドーピング濃度Ｎｄ（Ｘｊ）と濃度指標との比と、素子耐圧（ブレークダウン電圧）の関係を示す図である。横軸の式の分母が濃度指標であり、

と表される。ここでは、縦軸の素子耐圧は、濃度比（ネットドーピング濃度Ｎｄ（Ｘｊ）と濃度指標との比）が１のときの素子耐圧で規格化している。
素子耐圧は臨界電界強度と逆バイアス時の電界強度分布の関係で決り、接合での不純物濃度が小さくなれば、素子耐圧は向上する。
本発明品の場合、Ｘｊ近傍のネットドーピング濃度を下げることで、素子耐圧を向上させることができる。素子耐圧は、濃度比が小さくなるほど増加し、逆に濃度比が１以上では急激に耐圧が減少する。よってこの濃度比が１以下になるようにすることが望ましい。

図８は、本発明の第１の実施例であり、（ａ）はダイシング後のチップ全体の要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ‘線の断面における不純物濃度の分布図である。図８において、比抵抗２８Ωｃｍ（１．６４×１０^１４／ｃｍ^３）のＦＺのＮ⁻バルクウエーハの一方の主面に、ダイオードのアノード構造（浅く不純物濃度の低いＰ⁻エミッタ層２ｂと深く不純物濃度の高いＰ^＋アノード層２ａ）と電界緩和用エッジ構造（ガードリング６）が形成されている。このアノード構造は、例えばドーズ量１×１０^１４／ｃｍ^２のボロンを選択的にイオン注入し１１５０℃２００分にて拡散形成されたＰ^＋アノード層２ａと、同じくボロンを１×１０^１３／ｃｍ^２のドーズ量で一様に照射し、４００℃の低温にて熱処理活性化されたｐ⁻エミッタ層２ｂ、これらＰ^＋アノード層２ａとＰ⁻エミッタ層２ｂとにコンタクトするＡｌ−１％Ｓｉにて形成されたアノード電極４を有する。一方耐圧構造であるエッジ部分は、同じくボロンを、アノード電極４がコンタクトしない外周領域に２×１０^１５／ｃｍ^２にて選択的にイオン注入したＰ型ガードリング６が形成されている。アノード側からアルミニウム、ガリウムまたはインジウムが、表面濃度１×１０^１４／ｃｍ^３、ｌ／ｅ深さ２０μｍの略ガウス分布にて一様に拡散されており、その表面濃度はＦＺウエーハのリン濃度よりも低く、ＰＮ接合近傍のＮ⁻層ネットドーピング濃度は、６．４×１０^１３／ｃｍ^３である。そして、カソード側からは亜鉛が、表面濃度１×１０^１４／ｃｍ^３、ｌ／ｅ深さ２０μｍの略ガウス分布にて一様に拡散されており、その表面濃度はＦＺウエーハのリン濃度よりも低く、Ｎ⁻／Ｎ^＋層濃度境界近傍のＮ⁻層ネットドーピング濃度は、６．４×１０^１３／ｃｍ^３である。カソード側は浅いＮ^＋カソード層３を、ＦＺウエーハの表面プロセス終了後に裏面から１２０μｍ厚まで研削・ウエットエッチングし、１×１０^１５／ｃｍ^２のリンを５０ｋｅＶ以下でイオン注入し、ＹＡＧ２ｗのレ−ザ光を４Ｊ／ｃｍ^２のエネルギ密度で照射して活性化させて形成している。カソード電極５は、チタン０．０７５μｍ、ニッケル０．７μｍ、金０．２μｍを蒸着して形成している。なお、チップの外周端のダイシング面は、特別な処理を施さなくても、表面のエッジ構造（この場合、ガードリング構造）にて空乏層が終端されるので、構わない。

図９は、本発明のアクセプタ補償によるネットドーピング濃度を示した分布図である。図９において、まず初期にＦＺバルクウエーハの濃度Ｎ_Ｄ（ｘ）＝Ｎ_０が存在する。ここに、表面から例えばガウス分布でＮ_Ａ１（ｘ）の濃度でアクセプタを拡散させる。この時、Ｎ_０＞Ｎ_Ａ１（ｘ）である。一方裏面からも、例えばガウス分布でＮ_Ａ２（ｘ）の濃度でアクセプタを拡散させる。このときＮ_０＞Ｎ_Ａ２（ｘ）である。よって、ネットドーピング濃度Ｎｅｔ（ｘ）は、Ｎｅｔ（ｘ）＝Ｎ_０−｛Ｎ_Ａ１（ｘ）＋Ｎ_Ａ２（ｘ）｝（＞０）・・１式と表される。これにより、例えばＮ⁻層におけるポアソンの式は、ｄｉｖＥ（ｘ）＝ｑ／εｓＮｅｔ（ｘ）・・２式と表すことができる。ここで、ＥはＮ⁻層中の電界強度分布、ｑは電荷素量、εｓは半導体（ここではシリコン）の誘電率である。よって、１式から、濃度補償用アクセプタは全ての位置でＦＺバルクウエーハの濃度Ｎ_０よりも低いことが必要である。この濃度分布を達成するには、特願２００２−２１４６５７号と同様にネットドーピングの積分濃度は８×１０^１１／ｃｍ^２以上１．３×１０^１２／ｃｍ^２以下とする必要があるので、補償用アクセプタのイオン注入ドーズ量は前述の積分濃度を超えない量、好ましくは７×１０^１１／ｃｍ^２以下であることが良い。

ここで、実際には、ダイオードでは、表面にＰアノード層をボロンの導入で形成し、裏面にＮカソード層をリンの導入で形成する。また、ＮＰＴ−ＩＧＢＴやＦＳ−ＩＧＢＴでは、表面のＰウエルをボロンの導入で形成し、裏面のＰコレクタ層をボロンの導入で形成し、Ｎ⁻フイールドストップ層をリンやセレンを用いてのイオン注入で４００℃〜１０００℃の温度で周知の方法で形成する。従って、Ｎ⁻層のネットドーピング濃度Ｎｅｔ（ｘ）は厳密には、ダイオードの場合で、Ｎｅｔ（ｘ）＝Ｎ_０＋Ｎ_Ｄ（ｘ）−｛Ｎ_Ａ０（ｘ）＋Ｎ_Ａ１（ｘ）＋Ｎ_Ａ２（ｘ）｝（＞０）・・３式と表される。ここで、Ｎ_Ｄ（ｘ）は裏面のＮカソード層のためのリン濃度、Ｎ_Ａ０（ｘ）は表面のＰアノード層のためのボロン濃度である。ＮＰＴ−ＩＧＢＴの場合は、Ｎ_Ｄ（ｘ）を−Ｎ_Ａ３（ｘ）として、これを裏面のコレクタ層濃度とすればよい。また、ＦＳ−ＩＧＢＴの場合は、Ｎ_Ｄ（ｘ）を、Ｎ_Ｄ（ｘ）−Ｎ_Ａ３（ｘ）としてそのＮ_Ｄ（ｘ）を裏面のフィールドストップ層（リンまたはセレン）濃度とし、Ｎ_Ａ３（ｘ）を裏面のコレクタ層濃度とすればよい。しかし、実際には図１０の深さ方向に対する濃度分布に示すように、Ｐアノード層やＮカソード層は前記、アルミニウムや亜鉛の拡散層よりも数桁拡散長が短い分布にしている。（ａ）は全体の深さを示し、（ｂ）は表面側を（ｃ）は裏面側を拡大して示しているが、例えばＰアノード層のボロンは、ＰＮ接合から１μｍ深い所ではすでに１×１０^１１／ｃｍ^３となり、ボロン層とリン層の浅い拡散層のＮｅｔ（ｘ）への影響は極めて小さく、無視することができる。これは、裏面側のＮカソード層のリンについても同様にいえることである。よって、実際には、Ｎ⁻層のネットドーピング濃度分布は、１式で近似的に十分成立する。濃度勾配についても、同様の理由から、表面のＰアノード層や裏面のＮカソード層のＮｅｔ（ｘ）の濃度勾配への影響は無視することができる。

次に、ＦＺバルクウエーハに導入する不純物元素について検討する。シリコンへの拡散係数は、ボロン＜インジウム＜ガリウム＜アルミニウム＜亜鉛の順で高くなっており、アルミニウムおよびガリウムはボロンより１桁ほど高い。このため、例えば、１１５０℃２００分または１２００℃３０分では、２８ΩｃｍのＮ型ＦＺバルクウエーハでは、ボロンは約４μｍ、アルミニウム、ガリウムは約４０μｍ拡散する。一方亜鉛は、更に拡散係数が高く、６５０℃〜７００℃で３×１０^１３ｃｍ^２／ｓである。よって、例えば、８００℃では、２８ΩｃｍのＮ型ＦＺバルクウエーハでは、亜鉛は約３０〜４０μｍ拡散する。よって、本発明の場合、５０μｍ以下の拡散としたいため、アルミニウムまたはガリウムでは１２００℃以下、亜鉛では８００℃以下で拡散することが好ましい。また、拡散の下限としては５μｍ以上は拡散させたいため、アルミニウムまたはガリウムでは１０００℃以上、亜鉛では４００℃以上にて熱処理することが好ましい。なお、ガリウムは、イオン注入ソースは固体であるが、アルミニウムよりも反応性が低く、扱いやすい。アルミニウムは、ガリウムよりも拡散係数が高いので、拡散工程のリードタイムをガリウムよりも短縮することができる。インジウムは、ガリウム、アルミニウムよりは拡散係数が小さいが、ボロンよりは大きく、固溶度がボロンより低く、本発明のような低濃度拡散層において、ボロンよりも有利である。亜鉛は、アクセプタ準位が、価電子帯から最も深い。よって、室温（３００Ｋ）ではホール濃度がボロンやアルミニウムに比べて低くできるため、この元素からの伝導変調への寄与がほとんど無しにできる。更に、亜鉛は価電子帯から０．２６ｅＶ高い準位を示し、アクセプタとなる。これは、逆バイアス時に空間電荷領域が広がる時は１００％アクセプタとして働き、順方向導通時はアクセプタとして正孔を供給しないことを意味し、逆バイアス時のみに動作するため亜鉛を裏面に用いることが好ましい。

図１１は、本発明の製造方法を示す工程図である。図１１において、ＦＺバルクウエーハの一方の表面に、アルミニウムまたはガリウムを３×１０^１１／ｃｍ^２、６０ｋｅＶでイオン注入し、１１５０℃８０分にて拡散させる（図１１（ａ））。この時、アルミニウムは外方拡散があるため、窒化膜を用いて外方拡散を防ぐようにする。この拡散により、アルミニウムまたはガリウムが表面から２０μｍ拡散する。このようにして、補償用アクセプタを拡散させたあと、通常の素子形成プロセスを施し、Ｐアノード層２、Ｐガードリング６、ＰＳＧ膜７を形成し、Ａｌ−Ｓｉ電極用コンタクトホールを形成する（ｂ）。この時、これらの浅い（４〜８μｍ）Ｐ層拡散時に、前記のアルミニウムまたはガリウムも拡散するため、最終的にはアルミニウムまたはガリウムが約４０μｍまで到達する。次に、ウエーハの裏面からバックグラインドにて全ウエーハの残り厚さを１４０μｍになるまで研削し、更に、弗硝酸のウエットエッチングにて１２０μｍまで研削する（ｃ）。その後、亜鉛を３×１０^１２／ｃｍ^２、５０ｋｅＶにて裏面にイオン注入する。６００℃１時間にて熱処理を行い、亜鉛を約３０μｍ拡散させる（ｄ）。再び、表面に戻り、Ａｌ−１％Ｓｉを５μｍスパッタリングにて成膜し、パターニングエッチングしてアノード電極として形成する。Ａｌ―Ｓｉシンタを４００℃８０分施し、パッシベーション用ポリイミド膜を周辺耐圧構造に形成後、裏面にチタン、ニッケルおよび金を蒸着してカソード電極を形成する（ｅ）。
なお、亜鉛は８００℃以下の拡散の為、アクセプタ活性化率が高温（１０００℃以上）よりも低く、１０％以下となる。よって、活性化してアクセプタとなった亜鉛の積分濃度が１．３×１０^１２／ｃｍ^２未満とするために、イオン注入時のドーズ量は、１．０×１０^１３／ｃｍ^２以下が望ましい。

図１２は異なる実施例でＩＧＢＴに適用した場合であり、（ａ）は逆阻止型ＩＧＢＴ、（ｂ）はＮＰＴ−ＩＧＢＴ，ＦＳ−ＩＧＢＴの断面図である。逆阻止ＩＧＢＴは、マトリクスコンバータに用いる素子で、２つの逆阻止ＩＧＢＴを逆並列に接続し、双方向スイッチとして使用される。この時、裏面側のＰＮ接合のＰｉＮダイオードの逆回復動作モードが生じる。従って、本発明の構成とすることにより、この逆回復がよりソフトリカバリーとなり、スイッチング時の発振を抑制することができる。
また、ＮＰＴ−ＩＧＢＴ，ＦＳ−ＩＧＢＴへ適用しても、低損失なだけでなく、発振を抑えたターンオフが実現できる。これは、ターンオフの時は、表面のＰＮ接合から空間電荷領域が裏面側に向かって拡張するが、ブロードバッファ構造を用いることで、ダイオードの逆回復と同様に、Ｎ⁻層中間で、一旦、電界強度を減少させ、空間電荷領域の拡がりを抑制できる。その結果、裏面側にキャリアが残存して枯掲しないため、ターンオフサージ電圧の急峻な増加を抑えることができる。

これらの逆阻止ＩＧＢＴ，ＮＰＴ−ＩＧＢＴ，ＦＳ−ＩＧＢＴは、安価なＦＺバルクウエーハを１００μｍ前後に研削し、裏面側へのイオン注入および熱処理工程を行う。よって、本発明の製造方法を適用することで、容易にブロードバッファ構造のＩＧＢＴにすることが可能であり、ＩＧＢＴモジュールを用いたＰＷＭインバータ等の電力変換装置にて、過電圧破壊やＥＭＩノイズの発生を抑えることが可能となる。

図１３は、この発明の第３実施例の半導体装置（ＭＯＳＦＥＴ）であり、同図（ａ）はプレーナゲート構造の要部断面図、同図（ｂ）はトレンチゲート構造の要部断面図、同図（ｃ）は不純物濃度分布図である。ＭＯＳＦＥＴのｎドリフト層に第１実施例（他の実施例でもよい）を適用した場合である。ＭＯＳＦＥＴに内蔵されるダイオードが動作し、逆回復動作したときに、従来型ＭＯＳＦＥＴよりもスムーズで高速な逆回復が可能となる。ゲート構造がプレーナ構造（同図（ａ）の場合もトレンチ構造（同図（ｂ））の場合も同様な効果が得られる。
尚、図中の３１はｎドリフト層、３２ａはｐウエル領域、３２ｂはｎソース領域、３２ｃはゲート絶縁膜、３２ｄはゲート電極、３２ｅは層間絶縁膜、３２ｆはトレンチ、３３はｎドレイン層、３４はソース電極、３５はドレイン電極である。

図１４は、図１２の（ａ）で説明した半導体装置であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は不純物濃度分布図である。これはＮＰＴ（ノンパンチスルー）−ＩＧＢＴに逆阻止能力を持たせた逆阻止ＩＧＢＴの場合である。この逆阻止型ＩＧＢＴはダイオード動作があるため、第１実施例（他の実施例でもよい）のバッファ層を設けることでダイオード動作の改善が可能である。このｎバッファ層は、側面ｐコレクタ層４３ａに到達しても、してなくても構わない。
尚、図中の４１はｎドリフト層、４２ａはｐウエル領域、４２ｂはｎエミッタ領域、４２ｃはゲート絶縁膜、４２ｄはゲート電極、４２ｅは層間絶縁膜、４３はｐコレクタ層、４３ａは側面ｐコレクタ層、４４はエミッタ電極、４５はコレクタ電極である。

以上説明したように本発明のダイオードは、安価でかつ逆回復時間および損失を低減すると共にソフトリカバリ特性をも向上させた素子であるので、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、ＩＰＭ（インテリジエントパワーモジュール）に適用することができる。

本発明の最良の形態を示す実施例であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線の断面における不純物濃度の分布図、（ｃ）はＸ−Ｘ線の断面における電界分布図である。 Ｎｐ／Ｎｄｍと逆回復電圧のｄＶ／ｄｔとの関係を示す図である。 本発明品において、ｎドリフト層１（ｎバッファ層１ａ）の最大ネットドーピング濃度Ｎｐと平均ネットドーピング濃度Ｎｄｍの比であるＮｐ／Ｎｄｍと逆回復電圧のｄＶ／ｄｔとの関係を示す図である。 本発明品において、実効バッファ積分濃度（ネットドーピング）による、素子耐圧（ブレークダウン電圧）の依存性を示す図である。 逆回復電流減少率ｄｊｒ／ｄｔと、Ｘｐと位置指標の比の関係を示す図である。 本発明品において、ｎドリフト層全体の積分濃度（ネットドーピング）と、逆回復損失Ｅｒｒと逆回復電流減少率ｄｊｒ／ｄｔとの関係を示した図である。 本発明品において、ｐアノード層２とｎドリフト層１のｐｎ接合Ｘｊ近傍におけるｎドリフト層１のネットドーピング濃度Ｎｄ（Ｘｊ）と濃度指標との比と、素子耐圧の関係を示す図である。 本発明の第１の実施例であり、（ａ）はダイシング後のチップ全体の要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ‘線の断面における不純物濃度の分布図である。 本発明のアクセプタ補償によるネットドーピング濃度を示した分布図である。 本発明の実施例の深さ方向に対する濃度分布を示した図である。 本発明の実施例の製造方法を示す工程図である。 異なる実施例でＩＧＢＴに適用した場合であり、（ａ）は逆阻止型ＩＧＢＴ、（ｂ）はＮＰＴ−ＩＧＢＴ，ＦＳ−ＩＧＢＴの断面図である。 この発明の第３実施例の半導体装置であり、（ａ）、（ｂ）は要部断面図、（ｃ）は不純物濃度分布図である。 逆阻止型ＮＰＴ−ＩＧＢＴであり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は不純物濃度分布図である。 従来品Ａの要部断面図と不純物プロフィルの図である。 従来品Ｂの要部断面図と不純物プロフィルの図である。 従来品Ｃの要部断面図と不純物プロフィルの図である。 従来品Ｄの要部断面図と不純物プロフィルの図である。 従来の製造方法で形成した半導体装置であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）の不純物濃度の分布図である。

符号の説明

１ Ｎ⁻ドリフト層
２ Ｐアノード層
３ Ｎ^＋カソード層
６ ガードリング

Claims (11)

1. 基板の厚さ方向に一様な不純物濃度を有する第１導電型の半導体基板に、前記不純物濃度よりも低濃度の第２導電型の不純物を拡散で半導体基板の一方の主面の全面および他方の主面の全面に導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１導電型の半導体基板がＮ型シリコンであり、前記第２導電型の不純物がボロンよりも拡散係数の大きいＰ型不純物元素を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記Ｐ型不純物元素がアルミニウム、ガリウム、インジウムまたは亜鉛の少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１導電型の半導体基板に、一方の主面からアルミニウム、インジウムまたはガリウムを拡散させ、その後に他方の主面から亜鉛を拡散させることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記アルミニウム、ガリウムまたはインジウムが、ドーズ量１．０×１０¹²ｃｍ^-2以下でイオン注入されていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記イオン注入されたアルミニウムまたはガリウムは１０００℃以上１２００℃以下の温度にて熱処理されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記亜鉛が、ドーズ量１．０×１０¹³ｃｍ^-2以下でイオン注入されていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記イオン注入された亜鉛は４００℃以上８００℃以下の温度にて熱処理されることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
9. 第１導電型の第１半導体層と、該第１半導体層の両主面で第２導電型の不純物が拡散で全面に導入され第１導電型のままであるがネットドーピング量が前記第２導電型の不純物が導入された量だけ低い領域を有し、一方の主面に第１半導体層より高濃度の第２導電型の第２半導体層を設け、他方の主面に第１半導体層より高濃度の第１導電型の第３半導体層を設けたダイオードであることを特徴とする半導体装置。
10. 第１導電型の第１半導体層と、該第１半導体層の両主面で第２導電型の不純物が拡散で全面に導入され第１導電型のままであるがネットドーピング量が前記第２導電型の不純物が導入された量だけ低い領域を有し、一方の主面に第１半導体層より高濃度の第２導電型の第２半導体層を設け、該第２半導体層に選択的に形成された第１導電型のエミッタ層を設け、第１半導体層とエミッタ層間の第２半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を設け、他方の主面に第１半導体層より高濃度の第２導電型のコレクタ層を設けたＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
11. 第１導電型の第１半導体層と、該第１半導体層の両主面で第２導電型の不純物が拡散で全面に導入され第１導電型のままであるがネットドーピング量が前記第２導電型の不純物が導入された量だけ低い領域を有し、一方の主面に第１半導体層より高濃度の第２導電型の第２半導体層を設け、該第２半導体層に選択的に形成された第１導電型のソース層を設け、第１半導体層とソース層間の第２半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を設け、他方の主面に第１半導体層より高濃度の第１導電型のドレイン層を設けたＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。

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