(57)【要約】  アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、これらの領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にトレンチゲート型のＭＯＳ構造を有し、下面側の縦構造として、ｐコレクタ層、該ｐコレクタ層の上のｎバッファ層、及び該ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、該ｎバッファ層は、該ｐコレクタ層側に設けられた第１バッファ部分と、該ｎドリフト層側に設けられた第２バッファ部分と、を有し、該第１バッファ部分のピーク不純物濃度は、該第２バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、該第２バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配は該第１バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかである。
2017115434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にトレンチゲート型のＭＯＳ構造を有し、
下面側の縦構造として、ｐコレクタ層、前記ｐコレクタ層の上のｎバッファ層、及び前記ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、
前記ｎバッファ層は、前記ｐコレクタ層側に設けられた第１バッファ部分と、前記ｎドリフト層側に設けられた第２バッファ部分と、を有し、
前記第１バッファ部分のピーク不純物濃度は、前記第２バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、
前記第２バッファ部分の前記ｎドリフト層側の不純物濃度勾配は、前記第１バッファ部分の前記ｎドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にｐアノード層を有し、
下面側の縦構造として、ｎカソード層を有するカソード層、前記カソード層の上に設けられたｎバッファ層、及び前記ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、
前記ｎバッファ層は、前記カソード層側に設けられた第１バッファ部分と、前記ｎドリフト層側に設けられた第２バッファ部分と、を有し、
前記第１バッファ部分のピーク不純物濃度は、前記第２バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、
前記第２バッファ部分の前記ｎドリフト層側の不純物濃度勾配は、前記第１バッファ部分の前記ｎドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記第１バッファ部分の不純物濃度勾配は、前記第２バッファ部分の不純物濃度勾配より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１バッファ部分の活性化後の実効ドーズ量は、前記第２バッファ部分の活性化後の実効ドーズ量よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２バッファ部分の不純物濃度のピーク位置は、前記第２バッファ部分の中央部より前記第１バッファ部分と前記第２バッファ部分の接合部側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２バッファ部分のピーク不純物濃度を、前記ｎドリフト層の不純物濃度で除した値は２〜１００であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１バッファ部分のピーク不純物濃度を、前記第２バッファ部分のピーク不純物濃度で除した値は、２０〜１０００であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ｎバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める前記第２バッファ部分の活性化後の実効ドーズ量の割合は、０．５〜５．０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項９】
アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にトレンチゲート型のＭＯＳ構造を有し、
下面側の縦構造として、ｐコレクタ層、前記ｐコレクタ層の上のｎバッファ層、及び前記ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、
前記ｎバッファ層は、ピーク不純物濃度と前記ｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有し、
複数の前記バッファ部分のうち、最も前記ｐコレクタ層側の前記バッファ部分である第１バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、
複数の前記バッファ部分の前記ｎドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も前記ｎドリフト層側の前記バッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
アクティブセル領域と、
前記アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、
前記アクティブセル領域と前記エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、
前記アクティブセル領域は、
上面側にｐアノード層を有し、
下面側の縦構造として、ｎカソード層を有するカソード層、前記カソード層の上に設けられたｎバッファ層、及び前記ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、
前記ｎバッファ層は、ピーク不純物濃度と前記ｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有し、
複数の前記バッファ部分のうち、最も前記カソード層側の前記バッファ部分である第１バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、
複数の前記バッファ部分の前記ｎドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も前記ｎドリフト層側の前記バッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
前記第１バッファ部分は、複数の前記バッファ部分のうち最も高い不純物濃度勾配を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１バッファ部分は、複数の前記バッファ部分のうち最も大きい活性化後の実効ドーズ量を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１３】
複数の前記バッファ部分のうち、前記第１バッファ部分を除く部分と、前記ｎドリフト層は、以下の関係式を満足することを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
2017115434.tif 000006
Ｃｎｂｉ,ｐは、前記ｎバッファ層の下面に近い位置からｉ番目のバッファ部分におけるピーク不純物濃度を表し、
Ｃｎ−,ｄは前記ｎドリフト層の不純物濃度を示す。
【請求項１４】
前記第１バッファ部分のピーク不純物濃度を、前記第１バッファ部分に隣接するバッファ部分である第２バッファ部分のピーク不純物濃度で除した値は、２０〜１０００であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記ｎバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める、複数の前記バッファ部分のうち前記第１バッファ部分以外のバッファ部分の活性化後の実効ドーズ量の割合αは、０．５〜５％であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記カソード層は、ｐカソード層を有することを特徴とする請求項２又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の縦構造として、前記ｎドリフト層と、前記ｎバッファ層のみを備えたことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記カソード層は、ｐカソード層を有し、
前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の縦構造として、前記ｎドリフト層と前記ｎバッファ層と前記ｐカソード層を備えたことを特徴とする請求項２又は１０に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の下面側の縦構造として、
前記ｎドリフト層と、前記ｎバッファ層と、前記ｐコレクタ層より不純物濃度が低い低濃度コレクタ層と、を備えたことを特徴とする請求項１又は９に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の下面側の縦構造として、前記ｎドリフト層と、前記ｎバッファ層と、前記ｐコレクタ層とを備えたことを特徴とする請求項１又は９に記載の半導体装置。
【請求項２１】
前記エッジターミネーション領域と前記中間領域の下面側の縦構造として、前記ｎドリフト層と、前記ｎバッファ層と、前記カソード層とを備えたことを特徴とする請求項２又は１０に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記アクティブセル領域と、前記エッジターミネーション領域と、前記中間領域は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２３】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項２２に記載の半導体装置。
【請求項２４】
前記第２バッファ部分の前記ｎドリフト層側の部分における不純物濃度勾配は０．０５〜０．５０decade cm-3/μmであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２５】
前記バッファ部分のうち前記ｎドリフト層側の部分における不純物濃度勾配は０．０５〜０．５０decade cm-3/μmであることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２６】
基板下面側の縦構造として、不純物がドープされた不純物層、前記不純物層の上に設けられたｎバッファ層、及び前記ｎバッファ層の上のｎドリフト層を有し、ピーク不純物濃度と前記ｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有する前記ｎバッファ層を、複数の前記バッファ部分のうち最も前記不純物層側のバッファ部分である第１バッファ部分の活性化アニール完了後に、残りのバッファ部分を形成することで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
複数の前記バッファ部分のうち、前記第１バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項２６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２８】
前記バッファ部分のうち前記ｎドリフト層側の部分における不純物濃度勾配は０．０５〜０．５０decade cm-3/μmであることを特徴とする請求項２６又は２７に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばＩＧＢＴ又はダイオードなどの半導体装置およびその半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３５Ａ、Ｂ、Ｃには、それぞれ従来のトレンチゲート型ＩＧＢＴおよび２種類のダイオード構造が示されている。図３５中のｎバッファ層１５は、図６Ａ中のref.の不純物プロファイルを有する。また、図３５Ａ、Ｂ、Ｃは、図１に示すパワー半導体チップ平面図のＡ’’−Ａ’’’線の断面構造図である。パワー半導体は図１、３５に示すように、以下の４つの構成を備える。【０００３】
・アクティブセル領域１: パワー半導体チップの基本性能を保障する領域。
・中間領域２:アクティブセル領域１とエッジターミネーション領域５とがジョイントする領域でパワー半導体のダイナミック動作時の破壊耐量を保障しアクティブセル領域１の本来の性能をサポートする領域。
・エッジターミネーション領域５：staticな状態での耐圧保持、耐圧特性の安定性／信頼性面の保障およびダイナミック動作時の破壊耐量不良を抑制しアクティブセル領域本来の性能をサポートする領域。
・縦構造３５：ｎドリフト層１４に加え、図３５ＡのＩＧＢＴではｎバッファ層１５とpコレクタ層１６を含み、図３５Ｂのダイオードではｎバッファ層１５とn+カソード層１７を含み、図３５Ｃのダイオードではｎバッファ層１５とn+カソード層１７とpカソード層１８を含む構造である。ｎドリフト層はｎ−層であるが簡単化のためｎドリフト層と表記する。ＯＮ状態のロスとターンオン状態のロスとターンオフ状態のロスを加えたロスであるトータルロスに関する性能、staticな状態での耐圧保持、耐圧特性の安定性、耐圧保持時の高温でのリーク特性であるオフロス、信頼性面の保障及びダイナミック動作時の制御性と破壊耐量を保障し、パワー半導体の基本性能をサポートする領域。【０００４】
現在のＩＧＢＴ、ダイオードでは、Ｓｉウエハ材料としてＦＺ(Floating Zone)法で形成され、典型的には１．０×１０１２〜１．０×１０１５ｃｍ―３程度の耐圧クラスごとに必要なｎドリフト層１４の濃度を有するＳｉウエハを用い、図４、５に示すようなウエハプロセスを実行する。このウエハプロセス中にて耐圧クラスに必要な電圧を保持するために必要なデバイスの厚み(図２中のｔｄｅｖｉｃｅ:４０〜７００μｍ)を図４Ｌもしくは図５Ｈに示すように精度良く形成し、縦構造３５を図４Ｍもしくは図５Ｉに示すウエハプロセス中にて構築するウエハプロセスを用いている。【０００５】
このようにＦＺウエハを用い、ウエハプロセス中にて縦構造を構築するウエハプロセスが主流となりつつある背景として以下の２点を挙げることができる。
・ウエハとしてｎドリフト層１４をエピタキシャル法で作製するウエハでは、Ｓｉウエハコストがエピタキシャル法で形成するＳｉ厚みに依存し非常に高くなるというデメリットがある。ＦＺ法にてｎドリフト層１４の濃度のみ耐圧クラスごとに適切な値に設定し、Ｓｉウエハコストが変化しないようにウエハプロセススタート時は耐圧クラスに関係無く同じｎドリフト層１４厚みのＳｉウエハを用いることで、単価の安いウエハを採用する必要がある。
・上記ＦＺ法で製造するウエハを活用する目的でウエハプロセス中にて耐圧クラスに必要な厚みに制御し縦構造を構築することで、８〜１２ｉｎｃｈの大口径ウエハを用いるウエハプロセスとして問題となる色々なウエハ厚みに対応するウエハプロセス工程を極力最小限化し、ＩＧＢＴ、ダイオードなどのパワー半導体の大口径での製造を実現する。【０００６】
ｎドリフト層１４の不純物濃度及び図２中のｔｄｅｖｉｃｅの値は、ＩＧＢＴ又はダイオードの耐圧特性のみならずトータルロス、ダイナミック動作時の制御性及び破壊耐量にも影響するデバイスパラメータであり、その精度が求められるデバイスパラメータである。【０００７】
図４、５に示すウエハプロセスの詳細は特許文献１−３に記載している内容と同じである。このようなウエハプロセスにて構築する縦構造３５は、図４Ｌの工程および図５Ｈの工程時に、アルミ配線工程及びパッシベーション膜形成工程以降に、縦構造３５を形成するため、縦構造を形成しない面には例えばＩＧＢＴではＭＯＳ ｔｒ.構造が形成され、アルミ配線及びパッシベーション膜が存在する。【０００８】
その結果、縦構造を構成する拡散層１５〜１８形成時には、縦構造を形成しない面にアルミ配線が存在するため、メタルの融点より低い低温にする必要がある。例えばアルミの融点は660℃である。縦構造を構成しない面をメタルの融点より低い低温になるように、縦構造を形成しない面に熱が伝達しないような波長のレーザーを用いて、デバイス深さ方向に温度勾配をつけるアニーリング方法を用いる。このアニーリング技術は、レーザーアニールと呼ばれる方法である。【０００９】
その結果、上記ウエハプロセスにて製造するＩＧＢＴとダイオードのｎバッファ層１５の不純物プロファイルは、図６Ａ、６Ｂにref.で示す不純物プロファイルのように、Ｘｊ,ｎｂ１で示す接合深さが２．０μｍ程度と浅くかつｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部にかけて急峻な不純物濃度勾配を持つ特徴的な不純物プロファイルとなっている。そのような不純物濃度勾配δｎｂ１は例えば4.52 decade cm-3/μｍである。【００１０】
その上、上記ｎバッファ層１５は、上記レーザーアニーリング技術を用いるため、ｎ層プロファイルが不純物を導入するイオン注入時の深さ方向のプロファイルを再現し、深さ方向および横方向への拡散が起きにくいというｎ層形成時のプロセス上の特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】日本特開平７―２６３６９２号公報
【特許文献２】日本特許第５６２２８１４号公報
【特許文献３】国際公開２０１４/０５４１２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このようなｎバッファ層１５を用いるＩＧＢＴ及びダイオードでは、以下の大きな３つの性能上の問題が存在する。第一に、パワー半導体として重要な性能である電圧保持能力(以下、耐圧特性ということがある)の中で、高温状態の耐圧保持時のリーク電流増加によるオフロス増加又は高温でデバイス自身の発熱による熱暴走で制御不能になり、高温での動作保証ができない状態に至る。【００１３】
第二に、ＩＧＢＴ、ダイオードそれぞれのターンオフ動作のようなダイナミック動作時に、デバイス内部のキャリアプラズマ状態と電界強度分布との関係から、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近のキャリアプラズマ層が枯渇し、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部の電界強度が上昇したり、ターンオフ波形上にてターンオフ動作終焉での電圧跳ね上がり現象（以下、snap-off現象）が起こりsnap-off現象に起因する発振現象を発生したり、snap-off現象にて電圧が保持可能な耐圧以上の高電圧になりデバイスが破壊したりする。キャリアプラズマ層とは、電子およびホール濃度がほぼ同じ高キャリア濃度の中性層で、ｎ≒ｐであり、キャリア密度は１０１６ｃｍ−３より高く、ｎドリフト層１４のドーピングキャリア濃度の２〜３桁高キャリア濃度の層である。【００１４】
その結果、従来のＩＧＢＴとダイオードでは、ターンオフ動作の制御性が悪くかつターンオフ時の遮断能力の低下を招く。snap-off現象およびその後に発振現象が起きるようなＩＧＢＴ又はダイオードを搭載するパワーモジュールを含むインバーターシステムでは、ノイズ発生の要因を含むことになり、誤動作の原因となる。【００１５】
第三に、上記ｎバッファ層１５形成時の特徴から、図４、５に示す縦構造３５形成時のウエハプロセス中に発生するｎバッファ層１５を形成する面のキズ、異物が原因となり、ｎバッファ層１５の部分的な未形成という現象が起きやすくなる。これにより、ＩＧＢＴ及びダイオードは耐圧不良現象に敏感になり、ＩＧＢＴ及びダイオードチップの耐圧特性の不良率増加を招く。【００１６】
前述のように、従来のＩＧＢＴ及びダイオードは、ダイナミック動作時に、デバイス内部のキャリアプラズマ状態と電界強度分布との関係から、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近のキャリアプラズマ層が枯渇しやすい状態となっている。ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近のキャリアプラズマ層が枯渇すると、デバイス内部状態としてｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部の電界強度の上昇を招く。【００１７】
ターンオフ動作時の波形について、ターンオフ動作終焉時のＩＧＢＴではｄｊＣ/ｄｔ、ダイオードではｄｊＡ/ｄｔの値が大きくなり、Ｖ＝Ｌｄｊ/ｄｔの関係から電圧波形にsnap-off現象およびその後に発振現象が発生し、snap-off現象にてデバイスが破壊する場合もある。その結果、ＩＧＢＴ、ダイオードともターンオフ動作の制御性が悪くかつターンオフ時の遮断能力が低下する。このsnap-off現象及び発振現象は、ターンオフ動作条件にも依存する。つまり、これらの現象は、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部に空乏層が到着しやくすなる高電源電圧(ＶＣＣ)条件下、デバイス内部キャリア密度が少なくなる低電流密度(ＪＣ,ＩＡ)条件下、又はスイッチング動作回路パラメータとして高浮遊インダクタンス(ＬＳ)条件下のような種々の条件で顕著化する。【００１８】
また、パワー半導体として重要な性能である電圧保持能力に関し、高温状態の耐圧保持時のリーク電流増加によるオフロス増加、又は、高温でデバイス自身の発熱による熱暴走で制御不能になり、高温での動作ができなくなる。パワー半導体の発熱成分としては、ＯＮ状態のロス、スイッチング動作ＯＮ及びＯＦＦ時のロスであるスイッチングロス、及びオフ状態のロスであるオフロスがある。上記の状況は、パワー半導体自身の３つある発熱成分の１つであるオフロスが大きくなることを意味し、パワー半導体を搭載するパワーモジュールの熱設計において問題となる。【００１９】
これまでの上記問題点に対し従来のＩＧＢＴ及びダイオードでは、ｎドリフト層１４の厚みを厚くしたり、ｎドリフト層１４の不純物濃度を上げそのバラツキを小さくしたりするなどのｎドリフト層１４のパラメータの適正化手段を用いる。ただし、ｎドリフト層１４の厚みを厚くするとＩＧＢＴ、ダイオードともＯＮ電圧が上昇し、トータルロスが増加するという弊害がある。一方、ｎドリフト層１４の不純物濃度バラツキを小さくするということは、Ｓｉウエハ製造技術及び使用するＳｉウエハに関し制限を加えることになり、Ｓｉウエハコストの高騰を招く。このように、従来のＩＧＢＴ及びダイオードには、デバイス性能を向上する上で、ジレンマともいうべき技術課題が存在する。【００２０】
以上より、従来のＩＧＢＴ及びダイオード技術では、ダイナミック動作時のデバイス内部状態を制御しながらターンオフ動作の制御性とターンオフ遮断能力を向上させ、パワー半導体の基本性能であるON電圧を低ON電圧化し、安定的な耐圧特性の保障を実現することが難しい。よって、ＦＺ法で作製されるウエハを用い、かつ、Ｓｉウエハの大口径化にも対応可能なウエハプロセスにて、上記課題を解決するｎバッファ層１５の構造が必要である。また、ウエハプロセス中の悪影響により発生するｎバッファ層１５の部分的な未形成によるＩＧＢＴ及びダイオードの耐圧不良という現象に対して鈍感なｎバッファ層も求められる。つまり、ｎバッファ層１５の部分的な未形成があっても耐圧不良を起こしづらいｎバッファ層が求められる。【００２１】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、従来のＩＧＢＴ及びダイオードが保有するデバイス性能面のジレンマを解決し、パワー半導体の基本性能である耐圧特性を保証した上で、低ON電圧、安定的な耐圧特性、オフ時の低リーク電流による低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、及びターンオフ遮断能力の大幅な向上ができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願の発明にかかる半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にトレンチゲート型のＭＯＳ構造を有し、下面側の縦構造として、ｐコレクタ層、該ｐコレクタ層の上のｎバッファ層、及び該ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、該ｎバッファ層は、該ｐコレクタ層側に設けられた第１バッファ部分と、該ｎドリフト層側に設けられた第２バッファ部分と、を有し、該第１バッファ部分のピーク不純物濃度は、該第２バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、該第２バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配は、該第１バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであることを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にｐアノード層を有し、下面側の縦構造として、ｎカソード層を有するカソード層、該カソード層の上に設けられたｎバッファ層、及び該ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、該ｎバッファ層は、該カソード層側に設けられた第１バッファ部分と、該ｎドリフト層側に設けられた第２バッファ部分と、を有し、該第１バッファ部分のピーク不純物濃度は、該第２バッファ部分のピーク不純物濃度より高く、該第２バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配は、該第１バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかであることを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にトレンチゲート型のＭＯＳ構造を有し、下面側の縦構造として、ｐコレクタ層、該ｐコレクタ層の上のｎバッファ層、及び該ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、該ｎバッファ層は、ピーク不純物濃度と該ｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有し、複数の該バッファ部分のうち、最も該ｐコレクタ層側の該バッファ部分である第１バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、複数の該バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も該ｎドリフト層側の該バッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであることを特徴とする。
本願の発明に係る他の半導体装置は、アクティブセル領域と、該アクティブセル領域を囲むエッジターミネーション領域と、該アクティブセル領域と該エッジターミネーション領域の中間にある中間領域と、を備え、該アクティブセル領域は、上面側にｐアノード層を有し、下面側の縦構造として、ｎカソード層を有するカソード層、該カソード層の上に設けられたｎバッファ層、及び該ｎバッファ層の上のｎドリフト層とを有し、該ｎバッファ層は、ピーク不純物濃度と該ｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有し、複数の該バッファ部分のうち、最も該カソード層側の該バッファ部分である第１バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高く、複数の該バッファ部分の該ｎドリフト層側の不純物濃度勾配を比べると、最も該ｎドリフト層側の該バッファ部分の不純物濃度勾配が最もゆるやかであることを特徴とする。【００２３】
本願の発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板下面側の縦構造として、不純物がドープされた不純物層、該不純物層の上に設けられたｎバッファ層、及び該ｎバッファ層の上のｎドリフト層を有し、ピーク不純物濃度と該ｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有する該ｎバッファ層を、複数の該バッファ部分のうち最も該不純物層側のバッファ部分である第１バッファ部分の活性化アニール完了後に、残りのバッファ部分を形成することで形成することを特徴とする。【００２４】
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、複数のバッファ部分を有するバッファ層のうちｎドリフト層と接するバッファ層の不純物濃度勾配はゆるやかで、例えば不純物濃度勾配を０．０５〜０．５０decade cm-3/μmとしたので、半導体装置の特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】半導体装置の平面図である。
【図２Ａ】ＩＧＢＴの断面図である。
【図２Ｂ】ダイオードの断面図である。
【図２Ｃ】ダイオードの断面図である。
【図３Ａ】縦構造の役割を説明する図である。
【図３Ｂ】縦構造の役割を説明する図である。
【図３Ｃ】縦構造の役割を説明する図である。
【図４Ａ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｂ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｃ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｄ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｅ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｆ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｇ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｈ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｉ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｊ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｋ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｌ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図４Ｍ】ＩＧＢＴの製造プロセスフロー図である。
【図５Ａ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｂ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｃ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｄ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｅ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｆ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｇ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｈ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図５Ｉ】ダイオードの製造プロセスフロー図である。
【図６Ａ】図２中のＢ−Ｂ´、Ｃ−Ｃ´及びＤ−Ｄ´線における不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａ中の領域Ａの拡大図である。
【図７Ａ】シミュレーションによる図６Ａに示す本発明のバッファ構造を用いる図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造におけるブレークダウン時のデバイス内部電界強度分布を示す図である。シミュレーション条件は、ＢＶＣＥＳ＝８４００Ｖ、ＪＣＥＳ=１．０×１０―１Ａ／ｃｍ２、２９８Ｋである。
【図７Ｂ】図７Ａの領域Ｂの拡大図である。
【図８】図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造の４２３ＫにおけるＪＣＥＳ ｖｓ．ＶＣＥＳ特性のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図９】図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造におけるＪＣＥＳ ｖｓ．オペレーション温度特性のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図１０】図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造においてＬｓを５．８μＨとしたときのターンオフ波形のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図１１】図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造における図１０に示すＶＣＥ(surge)とスイッチング動作時の電源電圧ＶＣＣとの関係のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図１２】図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造における無負荷短絡状態の短絡波形のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図１３】シミュレーションによる図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴ構造における無負荷短絡状態の短絡波形である。
【図１４】図１３中のデバイス内部解析ポイントにおけるデバイス内部状態のｎバッファ構造依存性を示す図である。
【図１５】図１３中のデバイス内部解析ポイントにおける図２Ａ中の主接合部であるＰベース層とｎ層との接合部、およびｎドリフト層とｎバッファ層の接合部それぞれの短絡状態での最大電界強度のpコレクタ層濃度依存性に関するｎバッファ構造依存を示す図である。
【図１６】図２中のＩＧＢＴ構造における種々のデバイス特性間のトレードオフな関係を示す図である。
【図１７】図２中の６５００ＶクラスのＩＧＢＴのデバイス特性とＣｎｂ２,ｐ/Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。
【図１８】図６Ａ中の第２バッファ部分の濃度勾配δｎｂ２とＣｎｂ２,ｐ/Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。
【図１９】図６Ａ中のｎバッファ層の活性化度の実効的なトータルドーズ量に占める第２バッファ部分の活性化度の実効的なドーズ量の割合αとＣｎｂ２,ｐ/Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。
【図２０】図２中の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造の４４８ＫにおけるＪＲ vs. ＶＲの特性結果のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図２１】図２中の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造におけるＪＲ vs. オペレーション温度特性のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図２２】図２中の１７００Ｖクラスのダイオードｂ構造におけるsnappyなリカバリー動作時の波形に関するｎバッファ構造依存性に関する試作結果である。
【図２３】図２２中のＶsnap-offとＶＣＣとの関係のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図２４】図２２中のＶsnap-offとオペレーション温度との関係のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図２５Ａ】図２中の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造についてのsnappyなリカバリー動作時のシミュレーション波形に関するｎバッファ構造依存性である。
【図２５Ｂ】図２５Ａ中のデバイス内部解析ポイント丸１〜丸６における、図２中の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造内の電流密度分布を示す図である。
【図２５Ｃ】図６Ａに示す従来のバッファ構造を用いる図２の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造中のpin diode領域における図２５Ａ中のデバイス内部解析ポイント丸１〜丸６でのデバイス内部状態を示す図である。
【図２５Ｄ】図６Ａに示す従来のバッファ構造を用いる図２の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造のｐｎｐ ｔｒ.領域における図２５Ａ中のデバイス内部解析ポイント丸１〜丸６でのデバイス内部状態を示す図である。
【図２５Ｅ】図６Ａに示す本発明のバッファ構造を用いる図２の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造中のpin diode領域における図２５Ａ中のデバイス内部解析ポイント丸１〜丸６でのデバイス内部状態を示す図である。
【図２５Ｆ】図６Ａに示す本発明のバッファ構造を用いる図２の４５００Ｖクラスのダイオードｂ構造中のｐｎｐ ｔｒ.領域における図２５Ａ中のデバイス内部解析ポイント丸１〜丸６でのデバイス内部状態を示す図である。
【図２６】図２の１７００Ｖクラスのダイオードｂ構造のリカバリー動作時のＳＯＡ特性のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図２７】図２の１７００Ｖクラスのダイオードｂ構造の種々のデバイス特性とＣｎｂ２,ｐ/Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。
【図２８】図２の４５００Ｖクラスのダイオードａ構造におけるsnappyなリカバリー動作時の波形に関するｎバッファ構造依存性に関する試作結果である。
【図２９】図２の４５００Ｖクラスのダイオードａ構造における図２８のsnap-off現象のポイントにおけるデバイス内部状態のｎバッファ構造依存性を示す図である。
【図３０】図２の４５００Ｖクラスのダイオードａ構造におけるＶsnap-offとＶＣＣの関係のｎバッファ構造依存性結果に関する試作結果である。
【図３１】図２のＢ−Ｂ´、Ｃ−Ｃ´及びＤ−Ｄ´線における本発明の不純物プロファイルを実線で示す図である。
【図３２Ａ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するトレンチゲート型ＩＧＢＴの構造図である。
【図３２Ｂ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するトレンチゲート型ＩＧＢＴの構造図である。
【図３２Ｃ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するダイオードの構造図である。
【図３２Ｄ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するダイオードの構造図である。
【図３２Ｅ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するダイオードの構造図である。
【図３２Ｆ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するダイオードの構造図である。
【図３２Ｇ】図６Ａ又は図３１に示す本発明のｎバッファ層を有するダイオードの構造図である。
【図３３】図２に示す３３００ＶクラスのＩＧＢＴ構造のＲＢＯＳＡについて、図３２Ａの本発明のｎバッファ構造を有するＩＧＢＴと、図３５Ａに示す従来のｎバッファ層を有するＩＧＢＴを比較する図である。図３２Ａの本発明のｎバッファ構造を有するＩＧＢＴに関しては、ＲＢＳＯＡの温度依存性も示す。
【図３４】図２に示す６５００Ｖクラスのダイオードｂ構造のリカバリーＳＯＡについて、図３２Ｄに示す本発明のｎバッファ層を有するダイオードと、図３５Ｃに示す従来のｎバッファ層を有するダイオードを比較する図である。
【図３５Ａ】図６Ａに示す従来のｎバッファ層を有するトレンチゲート型ＩＧＢＴの構造図である。
【図３５Ｂ】図６Ａに示す従来のｎバッファ層を有する図２のダイオードａの構造図である。
【図３５Ｃ】図６Ａに示す従来のｎバッファ層を有する図２のダイオードｂの構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施の形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００２８】
実施の形態１．
本発明は、例えば６００Ｖ以上の電圧を印加するパワーモジュールのキーコンポーネントであるパワー半導体に関する。特に、以下の構造等を有するＩＧＢＴ及びダイオードのようなバイポーラ系パワー半導体に関する、
(ａ) オフ状態の電圧遮断能力を上げかつ耐圧保持時の高温でのリーク電流低減し、低オフロス化及び高温動作を実現する縦構造、
(ｂ) ターンオフ動作終焉での電圧跳ね上がり現象(以下、snap-off現象)及びsnap-off現象に起因する発振現象を抑制する縦構造、
(ｃ) dynamicな破壊耐量であるターンオフ動作時の遮断能力を向上する縦構造、
(ｄ) 半導体を製造するウエハの大口径化に対応するウエハプロセス技術に組み込める縦構造および製造技術、である。
【００２９】
縦構造は、ＩＧＢＴ又はダイオードの構成要素の中のｎバッファ層１５を主要な構成要素とする。縦構造とは、基板もしくはウエハ下面側に形成された構造を指す。典型的には、ＩＧＢＴの縦構造はコレクタ層、ｎバッファ層及びドリフト層を含む。典型的なダイオードの縦構造は、ｎ＋カソード層のみもしくは、ｎ＋カソード層及びｐカソード層を有するカソード層、カソード層の上に設けられたｎバッファ層、及びｎバッファ層の上のｎドリフト層を備える。
【００３０】
ＩＧＢＴ又はダイオードの半導体材料としては、ＳｉのみならずＳｉに比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。本発明の実施形態では１７００〜６５００Ｖの高耐圧クラスを例に示すが、本発明は耐圧クラスに関わらず上記目的に対して効果が得られるものである。
【００３１】
本発明で提案する縦構造の考え方を図３に示す。
図３における各記号の意味は以下のとおりである。
Ｑｐｌ：charge of plasma layer(プラズマ層における電荷)
ｎｐｌ：electron/hole concentration in plasma layer(プラズマ層における電子／ホール密度)
Ｖ：potential
ｑ：elementary charge(1.60218×10-19C)
ε0：dielectric constant in vacuum(8.85418×10-14F/cm)
εr：relative dielectric constant(Siでは11.9)
Ｎ＋Ｄ：ionized donor concentration(cm-3)
ｎ,ｐ：free electron/hole concentration (cm-3)
Ｊｎ,Ｊｐ：current density of electron/hole current(A/cm-3)
νsat(n),νsat(p)：saturation drift velocity of electron/hole (cm/s)
【００３２】
従来のＩＧＢＴ及びダイオードの縦構造の問題点に起因した上記技術課題は、特にｎバッファ層１５によって特徴付けられる以下のような縦構造を実現すれば解決できると考える。以下に示すコンセプトは、ＩＧＢＴ、ダイオード共通である。本発明の提案する縦構造を構成するｎバッファ層１５に関する考え方は、以下のｉ、ｉｉ、ｉｉｉのとおりである。
【００３３】
(ｉ)  ターンオフ動作時のｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近のキャリアプラズマ層の枯渇現象に関して、図３Ａの矢印丸１に示すようにキャリアプラズマ層が残存するようにする。つまり、ｎバッファ層１５内部でもデバイスON状態の伝導度変調現象が発生することで、キャリアプラズマ層が存在するようにｎバッファ層１５の低濃度化を行う。その濃度は、キャリアプラズマ層濃度は１０１６ｃｍー３以上の高濃度層のため、それ以下の１０１５ｃｍ−３オーダーとする。
(ii)  staticな状態で電界強度をｎバッファ層１５内部で止め、ダイナミック動作時はｎバッファ層１５内部を空乏層が緩やかに伸びるように、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近の濃度勾配は緩やかにする。また、空乏層は、図３Ｂの矢印丸２に示すように残留するキャリアプラズマ層との関係でｎバッファ層１５中にてストップする。その際の電界強度分布の勾配は、図３Ｂに示すｄＥ/ｄｘの関係式にて表される。
(iii)  低濃度で濃度傾斜があり厚いｎ層とすることで、パワー半導体の基本性能である耐圧特性保証、つまり、耐圧保持時の図２ＡのＩＧＢＴ及び図２Ｃのダイオードに内蔵するpnp-tr.のαpnpを下げてオフ時の低リーク電流による低オフロス化を実現する。
【００３４】
つまり、本発明のｎバッファ層１５は、耐圧特性安定化及び低オフロス化等の耐圧特性を保証した上で、デバイス内部のキャリアプラズマ状態をデバイス動作時に制御する役割を担う。その結果、ＩＧＢＴ及びダイオードの耐圧特性安定化と低オフロスを保証した上で、ターンオフ動作終焉でのsnap-off現象及びsnap-off現象に起因する発振現象を抑制できるので、スイッチング動作に関して制御性の良いパワー半導体を実現し、dynamicな状態での破壊耐量を向上させることができる。その上、ウエハプロセス中の悪影響により発生するｎバッファ層１５の部分的な未形成によるＩＧＢＴ及びダイオードの耐圧不良という現象に対し鈍感になり、ＩＧＢＴ及びダイオードチップの不良率増加を抑制する効果を示す。
【００３５】
本発明の実施形態１では、ＩＧＢＴにてターンオン動作時のsnap-off現象とその後の発振現象を抑制し、短絡状態の遮断能力を向上させ、オフ状態の耐圧遮断能力を上げ、かつ高温でのリーク電流低減し、低オフロス及び高温動作を実現するｎバッファ層１５を説明する。
【００３６】
図１はＩＧＢＴの平面図である。図１には、アクティブセル領域１を囲むエッジターミネーション領域５が示されている。アクティブセル領域１とエッジターミネーション領域５の中間に中間領域２がある。なお、図１のアクティブセル領域１は表面ゲート配線部３とゲートパッド部４が示されているが、ダイオードの場合はこれらはアノード層に置き換えられる。
【００３７】
図２には、図１のＡ―Ａ’線における本発明の技術を含むトレンチゲート構造のＩＧＢＴの断面図を示す。実施の形態１の半導体装置における下面側の「縦構造」は、ｐコレクタ層１６、ｐコレクタ層１６の上のｎバッファ層１５、及びｎバッファ層１５の上のｎドリフト層１４を有している。そして、半導体装置の上面側には、トレンチゲート型のＭＯＳ構造を有している。図２に示すｎドリフト層１４は、不純物濃度(Ｃｎ―,ｄ)が１．０×１０１２〜１．０×１０１５ｃｍ―３のＦＺ法にて作製されたＦＺウエハを用い形成する。最終的なｎドリフト層１４の厚み(図２中のｔｄｅｖｉｃｅ)は４０〜７００μｍである。また、図２Ａ及び図４に示すＩＧＢＴはＭＯＳ ｔｒ.部にてトレンチ部２２の一部がエミッタ電位のアルミ配線５ａと同電位となる構造である。この構造の目的及び効果は、日本特許第４２０５１２８号又は日本特許第４７８５３３４号に記載されるように、ＩＧＢＴの飽和電流密度の抑制、容量特性制御による無負荷端短絡状態で発振を抑制することによる短絡耐量の向上、及びエミッタ側のキャリア濃度向上による低ON電圧化を実現することである。図２Ａ中のＩＧＢＴを構成する各拡散層は以下のパラメータになるように、図４に示すウエハプロセスにてイオン注入およびアニーリング技術を用いて形成する。
【００３８】
・ｐベース層９:ピーク不純物濃度は１．０×１０１６〜１．０Ｅ１８ｃｍ−３、深さはｎ＋エミッタ層７より深くＮ層１１より浅くなる接合深さ
・ｎ層１１:ピーク不純物濃度は１．０×１０１５〜１．０Ｅ１７ｃｍ−３、深さはＰベース層９より深くトレンチよりも浅い
・ｎ＋エミッタ層７: ピーク不純物濃度は１．０×１０１８〜１．０Ｅ２１ｃｍ−３、深さは０．２〜１．０μｍ
・ｐ＋層８: 表面不純物濃度は１．０×１０１８〜１．０Ｅ２１ｃｍ−３、深さはｎ＋エミッタ層７と同じかもしくは深くなる接合深さ
・ｐコレクタ層１６:表面不純物濃度は１．０×１０１６〜１．０×１０２０ｃｍ−３、深さは０．３〜１．０μｍ
【００３９】
ｎバッファ層１５は、ｐコレクタ層１６側に設けられた第１バッファ部分ｎｂ１と、ｎドリフト層１４側に設けられた第２バッファ部分ｎｂ２と、を有している。つまり、ｎバッファ層１５は第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２の２つのｎ層を有している。第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ１,ｐ)は１．０×１０１６〜５．０×１０１６ｃｍ−３である。第１バッファ部分ｎｂ１の深さ(Ｘｊ,ｎｂ１)は１．２〜５．０μｍである。第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ２,ｐ)は５．０×１０１３〜５．０×１０１４ｃｍ−３である。第２バッファ部分ｎｂ２の深さ(Ｘｊ,ｎｂ２)は１０．０〜５０．０μｍである。Ｘｊ,ｎｂ１とＸｊ,ｎｂ２は図６Ａに示されている。
【００４０】
したがって、第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ１,ｐ)は、第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ２,ｐ)より高い。第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ１,ｐ)を、第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ２,ｐ)で除した値は２０〜１０００とすることが好ましい。
【００４１】
図６Ａには、ＩＧＢＴの断面図である図２Ａ中のＢ−Ｂ’線、ダイオードの断面図である図２Ｂ、図２Ｃ中のＣ−Ｃ’線、及び図２Ｃ中のＤ−Ｄ’線に沿った深さ方向不純物プロファイルが示されている。図中のＣｎ−,ｄはｎドリフト層１４の不純物濃度である。図６Ｂは図６Ａ中の領域Ａの拡大図である。図６Ａ、６Ｂの横軸の０μｍポイントが、図３中のｐコレクタ層１６、ｎ＋カソード層１７及びｐカソード層１８それぞれの表面(ｐｏｉｎｔ Ｂ)である。
【００４２】
図６Ａ、６Ｂにおける「new structure」というのは本発明の不純物プロファイルを示し、「ｒｅｆ．」というのは従来の同様な箇所の不純物プロファイルを示すものである。ｎバッファ層１５は、ピーク不純物濃度(Ｃｎｂ１,ｐ、Ｃｎｂ２,ｐ)および深さ(Ｘｊ,ｎｂ１、Ｘｊ,ｎｂ２)の異なる２つのｎ層である第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２を備えている。第１バッファ部分ｎｂ１は、従来のｎバッファ層１５と同様な濃度勾配(δｎｂ１)となる従来のｎバッファ層１５と類似な不純物プロファイルを有する。
【００４３】
第２バッファ部分ｎｂ２には以下の特徴がある。ピーク不純物濃度(Ｃｎｂ２,ｐ)の位置は、第２バッファ部分ｎｂ２の中央部より、第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部(Ｘｊ,ｎｂ１)側に位置している。第２バッファ部分ｎｂ２の不純物プロファイルは低濃度である。また、第２バッファ部分ｎｂ２の不純物プロファイルは、ｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部(Ｘｊ,ｎｂ２)に向け深さ方向に緩い濃度勾配(δｎｂ２)を有し、かつｎドリフト層１４にまで到達する程度に深く形成される。
【００４４】
ピーク不純物濃度(Ｃｎｂ２,ｐ)の位置を、第２バッファ部分ｎｂ２の中央部より接合部(Ｘｊ,ｎｂ１)側に位置させるため、第２バッファ部分ｎｂ２を形成するめにイオン注入又は照射技術等でイオン種をＳｉへ導入する際のピーク位置は、接合部(Ｘｊ,ｎｂ１)より深くなるように設定する。このように設定するのは、第２バッファ部分ｎｂ２を第１バッファ部分ｎｂ１の影響を受けずに安定して形成すること、及び後述する第２バッファ部分ｎｂ２のｎドリフト層１４との接合付近の所望の不純物濃度勾配を実現するためである。
【００４５】
図６Ａには、第２バッファ部分ｎｂ２の濃度傾斜が深さ方向に緩いこととＩＧＢＴの電気特性との関係を定量的に示すために、第２バッファ部分ｎｂ２のうち接合部（Ｘｊ,ｎｂ２）付近での不純物濃度勾配(δｎｂ２＝Δｌｏｇ１０Ｃｎｂ２/Δｔｎｂ２)の定義を示す。Δｌｏｇ１０Ｃｎｂ２は、図６Ａに示す第２バッファ部分ｎｂ２の不純物濃度(Ｃｎｂ２)の変化量であり、ｌｏｇは底が１０の常用対数である。Δｔｎｂ２は、図６Ａに示す第２バッファ部分ｎｂ２の深さ(ｔｎｂ２)の変化量である。
【００４６】
第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２それぞれの接合深さは、以下のように定義する。接合部(Ｘｊ,ｎｂ１)は、図６Ｂに示すように、第１バッファ部分ｎｂ１の傾斜部接線と第２バッファ部分ｎｂ２の第１バッファ部分ｎｂ１側傾斜部接線とが交差するポイントつまり、不純物濃度プロファイルの傾きが負から正へ変化するポイントである。
【００４７】
接合部(Ｘｊ,ｎｂ２)に関しては、図６Ａに示す常用対数表示の不純物濃度と深さとの関係を示すグラフ上における、ｎドリフト層１４の濃度延長線と、第２バッファ部分ｎｂ２の傾斜部接線とが交差するポイントと定義する。本発明のｎバッファ層１５およびそれを構成する第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２とは、以下の関係を満足する。第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ１,ｐ)と第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度(Ｃｎｂ２,ｐ)について、
Ｃｎｂ１,ｐ＞Ｃｎｂ２,ｐ
が成立する。
接合部(Ｘｊ,ｎｂ１)と接合部(Ｘｊ,ｎｂ２)について、
Ｘｊ,ｎｂ１＜Ｘｊ,ｎｂ２
が成立する。
第１バッファ部分ｎｂ１の不純物濃度勾配(δｎｂ１)と第２バッファ部分ｎｂ２の不純物濃度勾配(δｎｂ２)について、
δｎｂ１＞δｎｂ２
が成立する。図６Ａには、第１バッファ部分ｎｂ１の接合部Ｘｊ,ｎｂ１側における不純物濃度勾配（δｎｂ１）は、第２バッファ部分ｎｂ２の接合部Ｘｊ,ｎｂ２側の不純物濃度勾配(δｎｂ２)より大きいことが示されている。
【００４８】
上記関係から、本発明の第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２のそれぞれの役割と、図３に示す目標とするｎバッファ層の役割との関係は以下のようになる。
【００４９】
・第１バッファ部分ｎｂ１:staticな状態で主接合から伸びてくる空乏層を止める役割を担い、安定的な耐圧特性、及びオフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化の効果を示す。低リーク電流による低オフロス化は例えば３９８Ｋ以上の高温になるほど顕著化する。
・第２バッファ部分ｎｂ２:ｐｎｐ ｔｒ.のベース幅を広げる役割があり、その結果αｐｎｐを下げ、オフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化の効果を示す。本効果は、例えば３９８Ｋ以上の高温になるほど顕著化する。その上、staticおよびdynamicな状態で主接合から伸びてくる空乏層の伸びるスピートをｎドリフト層１４内の移動時より緩やかにし、かつＯＮ状態からの残留キャリアプラズマ層を存在させ、電界強度分布を制御する役割を担う。これにより、ターンオフ動作終焉でのsnap-off現象及びsnap-off現象に起因する発振現象を抑制し、スイッチング動作に関して制御性を向上させ、dynamic状態の破壊耐量を向上させることができる。
【００５０】
図７Ａは、本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ａに示すトレンチゲート構造ＩＧＢＴのstaticな状態での電圧保持時のデバイス内部の電界強度分布に関するシミュレーション結果である。模擬したデバイスは６５００Ｖクラスのため、staticな状態での電圧は２９８Ｋで８４００Ｖである。図７Ａの横軸０μｍが図２ＡのｐｏｉｎｔＡ箇所（ＭＯＳ ｔｒ.部の最表面）であり、図７Ａの横軸６５０μｍポイントが図２Ａ中のpコレクタ層１６の表面であるｐｏｉｎｔＢ箇所を示す。
【００５１】
図７Ｂは、図７Ａの領域Ｂの拡大図である。図７Ｂより、デバイスが電圧保持時、“ref.”で示す従来構造、及び“new buffer”で示す本発明のｎバッファ層１５を用いる構造とも第１バッファ部分ｎｂ１にて空乏層が止まっていることが分かる。更に、“new buffer”では、第２バッファ部分ｎｂ２内で電界強度分布の勾配がｎドリフト層１４中より変化していることが分かる。つまり、第２バッファ部分ｎｂ２により空乏層の伸びるスピートが低下している。
【００５２】
上記の第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２は、図４、５に示すウエハプロセス中のデバイスの厚みを精度良く形成する工程である図４Ｌの工程もしくは図５Ｈの工程の後に形成する。ｔｄｅｖｉｃｅは例えば４０〜７００μｍである。第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２は、形成する順番および第２バッファ部分ｎｂ２導入時の加速エネルギーのピーク位置の設定が重要である。第１バッファ部分ｎｂ１をイオン注入とアニーリング技術にて形成した後に、第２バッファ部分ｎｂ２をイオン注入とアニーリング技術にて形成する。
【００５３】
第１バッファ部分ｎｂ１を形成する際のアニーリング温度は、第２バッファ部分ｎｂ２を形成する際のアニーリング温度より高温である。そのため、第２バッファ部分ｎｂ２の後に第１バッファ部分ｎｂ１を形成すると、第２バッファ部分ｎｂ２の活性化後の不純物プロファイル、及び第２バッファ部分ｎｂ２を形成するために導入される結晶欠陥の種類への悪影響があり、デバイスＯＮ状態のキャリアライフタイムへ悪影響となるため、第２バッファ部分ｎｂ２を第１バッファ部分ｎｂ１の後に形成する。デバイスＯＮ状態のキャリアとは、ここではホールである。
【００５４】
第２バッファ部分ｎｂ２については、第１バッファ部分ｎｂ１の形成後にイオンをＳｉ中へ導入し、ｐコレクタ層１６をイオン注入とアニーリング技術にて形成した後もしくはメタル２９を形成した後にアニーリング工程を実施することで、上記の目標とする第２バッファ部分ｎｂ２を形成することができる。
【００５５】
また、第２バッファ部分ｎｂ２を形成するためにＳｉ中へ導入するイオン種のピーク位置は、第２バッファ部分ｎｂ２の中央部より接合部(Ｘｊ,ｎｂ１)側に位置するように設定することで、目的の第１バッファ部分ｎｂ１と第２バッファ部分ｎｂ２層との関係を満足する第２バッファ部分ｎｂ２の形成を可能にする。
【００５６】
第１バッファ部分ｎｂ１および第２バッファ部分ｎｂ２を形成するためのイオン種については、第１バッファ部分ｎｂ１にはリンを用い、第２バッファ部分ｎｂ２にはセレン、硫黄、リン、プロトン(水素)又はヘリウムを高加速エネルギーにてＳｉ中へ導入する。また、プロトン(水素)又はヘリウムを用いる場合は、例えば３５０〜４５０℃のアニーリングによるドナー化でn層を形成する拡散層形成プロセス技術を用いる。プロトン、ヘリウムは、イオン注入以外にもサイクロトロンを利用した照射技術でＳｉ中へ導入することができる。プロトンをＳｉへ導入すると、導入時に生じる空孔欠陥に水素原子および酸素原子とが結合して複合欠陥となる。この複合欠陥には水素が含まれるため、電子供給源であるドナーとなりアニーリングにより複合欠陥密度が増加しドナー濃度が増加する。この結果、ｎドリフト層１４よりも高不純物濃度のドナー化した層を形成し、第２バッファ部分ｎｂ２としてデバイスの動作に寄与する。ただし、形成される複合欠陥には、キャリアのライフタイムを低下させるライフタイムキラーとなる欠陥も存在するため、第２バッファ部分ｎｂ２を第１バッファ部分ｎｂ１形成後に高加速エネルギーにて不純物イオンを導入し、第２バッファ部分ｎｂ２のドナー化のためのアニーリング条件は重要である。
【００５７】
図８〜１２、１７〜１９は、６５００Ｖクラスの図２Ａに示すＩＧＢＴ構造を採用した試作デバイスに関する特性を示す図である。試作デバイスのＩＧＢＴ構造は、図１のＡ’’−Ａ’’’線の断面図である図３５Ａに示されている。図１３〜１５には、上記６５００Ｖトレンチゲート構造ＩＧＢＴの無負荷短絡状態の動作および動作時のデバイス内部状態のシミュレーション結果が示されている。図８〜１１、１６、１７中の“ref.”が従来のｎバッファ層を用いたサンプルの結果であり、“new buffer”は本発明のｎバッファ層１５を用いたサンプルの結果である。
【００５８】
図８は、static状態での６５００Ｖトレンチゲート構造ＩＧＢＴの４２３ＫでのＪＣＥＳ vs. ＶＣＥＳ特性に関するnバッファ構造依存性を示す図である。図９はstatic状態でのＶＣＥＳ＝６５００Ｖ保持時のＪＣＥＳとオペレーション温度との関係のnバッファ構造依存性を示す図である。比較しているサンプルはほぼ同じＯＮ電圧のサンプルである。図８，９より、本発明のｎバッファ層１５を用いることでＩＧＢＴに内蔵するｐｎｐ ｔｒ.のαｐｎｐが下がり、オフ時つまり耐圧保持時のリーク電流が低減する。その結果、低オフロス化によるオフ時のチップ自身の発熱量を低減できる。
【００５９】
図１０は、６５００Ｖトレンチゲート構造ＩＧＢＴについて例えば５．８μＨ程度の高ＬＳ条件下における誘導負荷状態でのターンオフ動作波形のnバッファ構造依存性を示す図である。図中のＶＣＥ(surge)、Ｖsnap-offは、それぞれターンオフ動作時のサージ現象時の最大ＶＣＥ値であるサージ電圧およびsnap-off現象発生時の最大ＶＣＥ値である。図１０より、本発明のｎバッファ層１５を用いることで、ターンオフ動作終焉時のｄｊｃ/ｄｔが“ref.”の場合には３．４９×１０７Ａ／ｃｍ２ｓｅｃであるが、“new buffer”の場合には１．４０×１０７Ａ/ｃｍ２ｓｅｃと小さくなり、snap-off現象を抑制していることがわかる。
【００６０】
図１１は、図１０中のＶＣＥ(surge)とターンオフ動作時の電源電圧(ＶＣＣ)のnバッファ構造依存性を示す図である。図１１より、本発明のｎバッファ層１５を用いることで、従来のｎバッファ層に比べＩＧＢＴのターンオフ動作時のサージ電圧の抑制が可能であることがわかる。
【００６１】
図１０、１１から、本発明のｎバッファ層１５は上記役割により、ＩＧＢＴのターンオフ動作終焉でのサージ電圧及びsnap-off現象を抑制しかつ、サージ電圧の電圧依存性を鈍感化させ、スイッチング動作に関して制御性の良いパワー半導体を実現することが分かる。
【００６２】
図１２は、本発明のｎバッファ層１５を用いる６５００Ｖトレンチゲート構造ＩＧＢＴの無負荷短絡状態でのターンオフ波形である。図１２より、本発明のｎバッファ層１５を用いるＩＧＢＴの短絡状態のターンオフ動作には、本発明のｎバッファ層の条件依存性があり、Ｃｎｂ２,ｐ/Ｃｎ―,ｄの値が大きくなるｎバッファ層では短絡状態の遮断能力が低下することが分かる。
【００６３】
図１３は、図１２の現象のメカニズムを解明するために行った、６５００Ｖトレンチゲート構造ＩＧＢＴの無負荷短絡状態でのターンオフ波形のシミュレーション結果である。図１４は、図１３中に示すデバイス内部解析ポイントでのデバイス内部状態を示す図である。図１４より、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ＝１３０．０となるようなｎバッファ層１５の濃度が高くなる条件下では、ｐベース層９とｎドリフト層１４の接合部である主接合部でなくｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部Ｘｊ,ｎｂ２において短絡状態のデバイス内部の電界強度が高くなるという特異な電界強度分布を示すことが分かる。この場合、デバイス内部状態のアンバランス化が起きていることが分かる。
【００６４】
この電界強度分布のアンバランス化が発生すると、ＩＧＢＴではｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近に局所的発熱を起こす箇所が存在し、その結果、熱破壊に至り短絡状態の遮断能力が低下する。つまり、このようなデバイス内部状態になることが、図１２に示す「短絡状態における遮断能力の低下」の原因である。また、このようなデバイス内部の電界強度分布のアンバランス化は、図１５に示す短絡状態の電界強度とｐコレクタ層１６のドーズ量と関係があり、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が大きくなり、ｐコレクタ層１６のドーズ量が低ドーズ化すると発生することがわかる。つまり、ｎバッファ層１５の濃度が高くＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が大きくなる条件では、目標とするｎバッファ層１５の役割の１つのｎドリフト層１４とｎバッファ層１５の接合部付近のキャリアプラズマ層の残存に関して、逆にキャリアプラズマ層が枯渇する現象が発生していることを意味している。
【００６５】
図１６は、ＩＧＢＴの種々なデバイス特性間に存在するトレードオフの関係を示すイメージ図である。図１６中のＲＢＳＯＡ(Reverse Bias Safe Operating Area)性能軸に示すＪＣ(break)は、誘導負荷状態でのターンオフ動作時の最大遮断電流密度である。ＳＣＳＯＡ(Short Circuit Safe Operating Area)性能軸に示すＥＳＣおよびＶＧ(break)は、それぞれ無負荷短絡状態でのターンオフ時の最大遮断時の短絡エネルギーおよび最大遮断ゲート電圧である。
【００６６】
最近のＩＧＢＴは、ｐコレクタ層１６のドーズ量をパラメータとして、ON電圧(ＶＣＥ(ｓａｔ))、ＪＣＥＳ特性、ターンオフロス(ＥＯＦＦ)、ＲＢＳＯＡおよびＳＣＳＯＡを制御可能である。その結果、図１５に示すような無負荷短絡状態でのデバイス内部状態のアンバランス化にpコレクタ層１６ドーズ量依存性があると、図１６に示すようなＩＧＢＴの種々なデバイス特性の許容可能範囲が狭くなることを意味する。種々なデバイス特性の許容可能範囲が狭くなることは、ＩＧＢＴとしての性能が低下することを意味する。よって、本発明のｎバッファ層１５をＩＧＢＴに用いるにあたり、図１２、１４〜１６のようなことが発生しない領域にｎバッファ層１５のパラメータを設定する必要がある。
【００６７】
図１７は、本発明のｎバッファ層１５を用いる６５００Ｖトレンチゲート構造ＩＧＢＴの種々なデバイス特性と、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。図中には、ＢＶＣＥＳおよびＶＣＥ(surge)特性のターゲットを示す。ＢＶＣＥＳのターゲットは、２１３Ｋで例えば６５００Ｖの定格耐圧を保証するという観点から２９８Ｋにおいて７５００Ｖ以上とする。ＶＣＥ(surge)のターゲットは、定格耐圧以下を目標とする性能指数の観点から、６５００Ｖ以下とする。
【００６８】
図１７におけるＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ＝０．１のポイントには、従来のｎバッファ層での結果をプロットする。図１７に示すＩＧＢＴの種々なデバイス特性とＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係から、ＩＧＢＴの種々なデバイス特性を満足するＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄの範囲は、２.０〜１００.０であることがわかる。Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が大きくなると、ダイナミックな状態でのｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部の電界強度が高くなり、ターンオフ時のサージ電圧が高くなり、無負荷短絡状態でのターンオフ遮断が低下する。また、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が小さくなると、空乏層がｎバッファ層１５中を伸びやすく第１バッファ部分ｎｂ１にあたりやすくなる結果、従来のｎバッファ層の示す特性に近くなる挙動を示す。特に本発明のｎバッファ層１５は、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ−,ｄが１０.０〜９０.０になるように設計することで、ＩＧＢＴの種々のデバイス特性のバランスをとることができる。加えて、本発明のｎバッファ層１５によれば、図１７から、ＢＶＣＥＳ特性の第２バッファ部分ｎｂ２の濃度依存性が無くなることが分かる。つまり、耐圧特性が、ｎバッファ層１５の濃度に対して鈍感化するメリットがある。
【００６９】
図１８、１９は、上記のＩＧＢＴのデバイス特性とＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係から本発明のｎバッファ層１５に関する種々のパラメータの最適な領域を示すことで、ＩＧＢＴの種々のデバイス特性のバランスがとれるｎバッファ層１５の構造パラメータを明らかにする図である。
【００７０】
図１８は、図６Ａに示す接合部Ｘｊ,ｎｂ２付近での第２バッファ部分ｎｂ２の不純物濃度勾配(δｎｂ２＝Δｌｏｇ１０Ｃｎｂ２/Δｔｎｂ２)とＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。図１８から、ＩＧＢＴの種々のデバイス特性のバランスのとれるＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄの範囲は２.０〜１００.０である。その結果、第２バッファ部分ｎｂ２のｎドリフト層側の部分における不純物濃度勾配δｎｂ２の許容範囲は、０.０５〜０.５０decade cm-3/μmとなる。なお、decade cm-3/μmというのは、log10（常用対数）を縦軸としたときの傾きを表す。図６Ａ、６Ｂの縦軸は不純物濃度の常用対数（log10）をとっている。
【００７１】
図１９は、本発明のｎバッファ層１５の活性化後の実効トータルドーズ量に占める第２バッファ部分ｎｂ２の活性化後の実効ドーズ量の割合(α)と、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。縦軸のα値は、以下の関係式より算出する。
【００７２】
【数１】
2017115434.tif 000003
・・・数１
【００７３】
ここで、
Dosenb1,effect: 第１バッファ部分ｎｂ１の活性化後の実効ドーズ量
Dosenb2,effect: 第２バッファ部分ｎｂ２の活性化後の実効ドーズ量
である。
【００７４】
また、各拡散層の実効ドーズ量は、各拡散層のイオン注入時のドーズ量でなく、各拡散層の活性化後に拡がり抵抗測定(Spreading Resistance Analysis)から得られる不純物濃度[ｃｍ−３]である。図１７から、ＩＧＢＴの種々のデバイス特性のバランスのとれるＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄの範囲は２．０〜１００．０であり、その結果αのパラメータは、０．５〜５．０％が許容範囲となる。すなわち、ｎバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める第２バッファ部分ｎｂ２の活性化後の実効ドーズ量の割合αは、０．５〜５．０％とする。したがって、第１バッファ部分ｎｂ１の活性化後の実効ドーズ量は、第２バッファ部分ｎｂ２の活性化後の実効ドーズ量よりも大きい。
【００７５】
以上から、図６Ａに示す不純物プロファイルを有するｎバッファ層１５は、本発明の技術目標である、ＩＧＢＴの安定的な耐圧特性、オフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化、ターンオフ動作の制御性向上、及び無負荷状態でのターンオフ遮断能力の大幅な向上を実現可能なものである。
【００７６】
その上、本発明のｎバッファ層１５の形成プロセスでは、第２バッファ部分ｎｂ２形成時にｎ型拡散層を形成する不純物が深さ方向のみならず横方向にも拡散する特徴を有する。その結果、前述した従来のｎバッファ層の問題の１つであるｎバッファ層形成時の特徴とウエハプロセス中の悪影響により発生するｎバッファ層１５の部分的な未形成に起因したＩＧＢＴ又はダイオードの耐圧不良現象に対し、第２バッファ部分ｎｂ２を形成することでｎバッファ層の未形成領域が無くなる。よって、ＩＧＢＴ又はダイオードチップの不良率増加を抑制することができ、歩留り向上が見込める。
【００７７】
本発明の実施の形態１及び以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法は、本発明の特徴を失わない範囲で変形することができるものである。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法については、実施の形態１との共通点が多いので主として実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００７８】
実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体装置は、図２Ｃに示すとおり、カソード側構造としてｎ＋カソード層１７とｐカソード層１８を備えるダイオードにおいて、オフ状態の耐圧遮断能力を上げ、高温でのリーク電流低減による低オフロスと高温動作を実現し、ターンオン又はリカバリー動作時のsnap-off現象及びその後の発振現象を抑制する安全動作領域の保証温度を拡大し、リカバリー時の破壊耐量の向上を実現するためのｎバッファ層１５を備える。
【００７９】
図２Ｃは、図１をダイオードの平面図と模擬して見たときのＡ―Ａ’線における断面図である。図２Ｃに示すｎドリフト層１４は、不純物濃度Ｃｎ―,ｄが１.０×１０１２〜１.０×１０１５ｃｍ−３であり、ＦＺ法にて作製されたＦＺウエハを用い形成する。最終的なｎドリフト層１４の厚みすなわち図２中のｔｄｅｖｉｃｅは、４０〜７００μｍである。図２Ｃ中のダイオードを構成する各拡散層は以下のパラメータになるように、図５に示すウエハプロセスにてイオン注入およびアニーリング技術を用いて形成する。
【００８０】
・ｐアノード層１０:表面不純物濃度が１.０×１０１６ｃｍ−３以上、ピーク不純物濃度が２.０×１０１６〜１.０Ｅ１８ｃｍ−３、深さが２.０〜１０.０μｍ、ｐアノード層１０は基板の上面側に形成される。
・ｎ＋カソード層１７:表面不純物濃度が１.０×１０１８から１.０×１０２１ｃｍ−３、深さは０.３〜１.０μm
・ｐカソード層１８:表面不純物濃度が１.０×１０１６〜１.０×１０２０ｃｍ―３、深さは０．３〜１．０μｍ
【００８１】
ｎバッファ層１５は、ｐカソード層１８側に設けられた第１バッファ部分ｎｂ１と、ｎドリフト層１４側に設けられた第２バッファ部分ｎｂ２と、を有している。第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度Ｃｎｂ１,ｐは１.０×１０１６〜５.０×１０１６ｃｍ−３である。第１バッファ部分ｎｂ１の深さＸｊ,ｎｂ１は１.２〜５.０μmである。第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度Ｃｎｂ２,ｐは５.０×１０１３〜５.０×１０１４ｃｍ−３である。第２バッファ部分ｎｂ２の深さＸｊ,ｎｂ２は４.０〜５０μｍである。したがって、第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度は、第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度より高い。
【００８２】
図２Ｃのダイオード構造は、図２Ｂのダイオード構造に対し、pカソード層１８を有することで、日本特許第５２５６３５７号又は日本特開２０１４―２４１４３３号(ＵＳ８６８６４６９)に示すように、リカバリー動作時の後半にpカソード層１８からのホール注入を促進し、カソード側の電界強度緩和によるリカバリー動作中のsnap-off現象及びその後の発振現象を抑制したり、リカバリー動作時の破壊耐量を向上させたりすることができる。
【００８３】
pカソード層１８とｎ＋カソード層１７は、リカバリー動作中のsnap-off現象及びその後の発振現象の抑制効果を保有しつつ良好なダイオード動作を保証する観点から、日本特許第５２５６３５７号又は日本特開２０１４―２４１４３３号(ＵＳ８６８６４６９)に示す関係を満足するように配置する。また、図２Ｃのダイオードを等価回路で表現すると、ｐｉｎダイオードとｐｎｐ ｔｒ.とが並列に接続する回路となる。その際、ｎドリフト層１４は可変抵抗領域である。
【００８４】
図２０〜２４、２６は、１７００Ｖ又は４５００Ｖクラスの図２Ｃに示すダイオード構造にて試作したデバイスの試作結果である。このデバイスは、図１のＡ’’‐Ａ’’’線の断面図である図３５Ｃに示す断面構造を有する。図２５は、上記４５００Ｖクラスの耐圧を有する図２Ｃのダイオードに関し、snappyなリカバリー動作及び動作時のデバイス内部状態をシミュレーションした結果を示す図である。図中の“ref.”が従来のｎバッファ層１５を用いたサンプルのシミュレーション結果を示す、“new buffer”が本発明のｎバッファ層１５を用いたサンプルのシミュレーション結果を示す。
【００８５】
図２０は、試作した４５００Ｖクラスの耐圧を有する図２Ｃのダイオードの４４８ＫにおけるＪＲ vs. ＶＲ特性のnバッファ構造依存性を示す図である。図２１は、逆電圧ＶＲを４５００Ｖで保持したときのリーク電流密度ＪＲとオペレーション温度との関係を示す。比較しているサンプルは、ほぼ同じＯＮ電圧のサンプルである。図２０、２１より、本発明のｎバッファ層１５を用いることで図２Ｃに示すダイオードに内蔵するｐｎｐ ｔｒ.のαｐｎｐが下がり、オフ時つまり耐圧保持時のリーク電流が低減し、その結果、低オフロス化によるオフ時のチップ発熱量を低減できる。また、本発明のｎバッファ層１５を用いることで、４５００Ｖクラスでも４４８Ｋにて熱暴走せずに５０００Ｖ以上の電圧を保持することが可能である。
【００８６】
図２２は、１７００Ｖクラスの耐圧を有する図２Ｃのダイオードの２１３から２３３Ｋという低温でのsnappyなリカバリー動作に関し、nバッファ構造の依存性を示す図である。図中のＶsnap-offは、リカバリー動作時のovershoot voltageである。図２Ｃのダイオードは、リカバリー動作時のsnap-off現象を抑制する効果あるため、後述する図２Ｂのリカバリー動作にて観察されるsnap-off現象は観察されない。ただし、図２Ｃの構成に従来のｎバッファ層を採用すると、リカバリー動作後半に巨大なテール電流が発生し、さらに低温で動作させると図にあるように巨大なテール電流領域にて破壊に至る。図２Ｃの構成に本発明のｎバッファ層１５を用いると、図２２に示すように上記のような現象が発生せず、２１３Ｋという低温状態でもダイオードのリカバリー動作を保証する結果となっている。
【００８７】
図２３は、１７００Ｖクラスの耐圧を有する図２Ｃに示すダイオードにおける、Ｖsnap-offとＶＣＣとの関係のnバッファ構造依存性を示す図である。デバイスのオペレーション温度は２９８Ｋとした。図中の丸囲みされた×印はデバイスが破壊したポイントを示す。また、Ｖsnap-offは定格耐圧以下を目標とする性能指数であるため、図２３中にはＶsnap-off値の目標値は１７００Ｖ以下であることを明示した。本発明のｎバッファ層１５に関しては、実施形態１にて示すパラメータＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄを変数とするサンプルの結果を示す。図２３より、本発明のｎバッファ層１５を採用した図２Ｃのダイオードでは、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ＝１３０のサンプルにて、Ｖsnap-off値が目標値である１７００Ｖより高くなり、最終的にデバイス破壊に至っている。本挙動は、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が大きくなるようなｎバッファ層１５の濃度が高くなる条件では、リカバリー動作後半でｐカソード層１８からのホール注入が抑制され、ｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部付近のキャリアプラズマ層が枯渇し、同該接合部の電界強度が高くなった結果である。後述するが、本発明のｎバッファ層１５を用いるダイオードについては、実施形態１のように、特性を良好にするために、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値の許容範囲を限定しなければならない。
【００８８】
図２４は、１７００Ｖクラスの耐圧を有する図２Ｃに示すダイオードにおける、Ｖsnap-offとオペレーション温度との関係のnバッファ構造依存性を示す図である。図中の丸囲みされた×印はデバイスが破壊したポイントを示す。図２４より、本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ｃのダイオードでは、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ−,ｄ＝１３０のサンプルにて２９８Ｋの温度でＶsnap-offが高くなり破壊している。また、従来のｎバッファ層を用いる場合でも、図２２からわかるように２３３Ｋにて破壊する。ただし、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ−,ｄ値を適切な値とする本発明のｎバッファ層１５を用いる場合は、図２２のようにリカバリー動作時に巨大なテール電流が発生せず２１３Ｋの低温でも正常なリカバリー動作を示す。つまり、本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ｃのダイオードによれば、リカバリー動作を保証する動作保証温度範囲を低温側へ拡大することができる。
【００８９】
以上のように、図２Ｃのダイオード構造にて低温側でのsnappyなリカバリー動作を保証するには、リカバリー後半での巨大なテール電流を抑制する必要がある。図２５には、従来のｎバッファ層を用いる４５００Ｖクラスの図２Ｃのダイオードと、本発明のｎバッファ層１５を用いる４５００Ｖクラスの図２Ｃのダイオードについての、動作時のデバイス内部状態、すなわち電流密度分布、電界強度分布、及びキャリア濃度分布のシミュレーション結果である。
【００９０】
図２５Ｂ−２５Ｆに示すリカバリー動作時のダイオード内部状態は、図２５Ａの解析ポイント丸１〜丸６における内部状態である。図２５Ｂ−２５Ｆは、図２Ｃに示すようにｐｉｎダイオード１９とｐｎｐトランジスタ２０に分割し、それぞれのデバイスの内部状態を示すものである。図２５Ｂ−２５Ｆに示す“point A”と“point B”は、図２Ｃ中のpoint Aおよびpoint Bの箇所を意味する。また、図２５Ｃ−２５ＦにおけるEF point１というのは、図２５Ａの解析ポイント丸１における電界強度を示す。
【００９１】
図２５Ａのシミュレーション結果から、図２２のように従来のｎバッファ層１５を用いる図２Ｃの構造では、リカバリー後半に巨大なテール電流を発生していることがわかる。従来のｎバッファ層を有する図２Ｃのダイオード構造は、以下のようなステップでsnappyなリカバリー動作条件下で特徴的なリカバリー動作をし、リカバリー動作後半にて巨大なテール電流を発生してデバイス破壊に至る。
【００９２】
ステップ１:ｐｉｎダイオード領域とｐｎｐトランジスタ領域それぞれが律速する動作時間が存在し、ｐｉｎダイオード領域の動作が収束するＪＲＲポイントである図２５Ａのポイント丸１を越えたあたりからｐｎｐトランジスタ領域の動作が律速するという動作モードとなる。
ステップ２:カソード側はホール注入を促進するためキャリア濃度が上昇し、カソード側の電界を緩和しながら、pアノード層１０とｎドリフト層１４の主接合部の電界強度が上昇しインパクトイオン化が促進する。
ステップ３:主接合部にて促進したインパクトイオン化により発生する電子がｎドリフト層１４へ注入されｐｎｐトランジスタのベース電流が増加し、リカバリー波形上に巨大なテール電流が発生する。
ステップ４:巨大なテール電流が発生し、同時にｐｎｐトランジスタの動作が動作しはじめ制御できなくなり、デバイス破壊へ至る。
【００９３】
これに対し、本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ｃのダイオード構造では、上記ステップ３のモードが発生せず、pアノード層１０とｎドリフト層１４の主接合部の電界強度の上昇が無くリカバリー動作を終了する。その結果、図２５Ｂのｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅの電流密度分布のように、図２Ｃのダイオードに内蔵するｐｎｐトランジスタの動作を最小に抑制し、巨大なテール電流が発生せず、リカバリー動作を終える。そのため、図２２、２４に示すように本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ｃのダイオードでは、低温でのsnappyなリカバリー動作時に巨大なテール電流が発生せず、リカバリー動作を保証する保証温度範囲を低温側へ拡大することができる。
【００９４】
図２６は、１７００Ｖクラスの図２Ｃに示すダイオード構造におけるリカバリーＳＯＡ(Safe Operating Area)のnバッファ構造依存性を示す図である。本発明のｎバッファ層１５に関しては、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値をパラメータとするサンプルの結果を示す。図中の縦軸のＪＡ(ｂｒｅａｋ)はリカバリー動作時の最大遮断電流密度であり、ｍａｘ.ｄｊ/ｄｔは遮断時の最大遮断電流密度の時間微分の最大値である。図中のＶｃｃ依存性を示す線の内側がＳＯＡである。
【００９５】
図２６より、本発明のｎバッファ層１５は、適切なＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値とすることでＪＡ（ｂｒｅａｋ）値が大きくなることから、従来のｎバッファ層を用いる場合よりリカバリーＳＯＡを向上できることが分かる。また、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値の大きな本発明のｎバッファ層１５の場合は、Ｖｃｃ＝１４００Ｖでのプロットデータより、高電圧側の遮断能力が極端に低下することがわかる。
【００９６】
図２７には、１７００Ｖクラスの図２Ｃのダイオード構造の種々のデバイス特性とＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係を示す図である。図中のＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄが０．１のポイントには、従来のｎバッファ層での結果を示す。図２７より、図１７と同様に、ダイオードの種々の特性とＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄとの関係から、ダイオードの種々なデバイス特性を満足するＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄの範囲は、２．０〜１００．０であることがわかる。Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が大きくなると、リカバリー動作後半でのpカソード層１８からのホール注入が抑制され、ｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２との接合部付近のキャリアプラズマ層が枯渇し、ｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２との接合部の電界強度が高くなり、リカバリー動作時のＶsnap-off値が増加し、高電圧でのリカバリー動作時の遮断能力が低下する。また、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄが小さくなると、空乏層がｎバッファ層１５中を伸びて第１バッファ部分ｎｂ１にあたりやすくなる結果、従来のｎバッファ層の示す特性に近い挙動を示す。
【００９７】
以上から、図６Ａに示すような不純物プロファイルを有する本発明のｎバッファ層１５は、図２Ｃに示すダイオード構造でも本発明の解決するための技術目標である、安定的な耐圧特性、オフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化、snappyなリカバリー動作を保証する動作保証温度範囲の低温側への拡大、及びやリカバリー動作時の遮断能力の大幅な向上を実現できる。本発明の実施の形態１、２では、第２バッファ部分ｎｂ２のｎドリフト層側の部分における不純物濃度勾配δｎｂ２の許容範囲は、０.０５〜０.５０decade cm-3/μmが好ましいとした。しかし、第２バッファ部分ｎｂ２のｎドリフト層側の不純物濃度勾配を、第１バッファ部分ｎｂ１のｎドリフト層側の不純物濃度勾配よりゆるやかにすることで、本発明の効果を得ることができる。
【００９８】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置として、図２Ｂに示すようなカソード側構造がｎ＋カソード層１７のみのダイオードにて、リカバリー動作時のsnap-off現象及びsnap-off現象起因のその後の発振現象を抑制し、リカバリー時の破壊耐量を向上させるｎバッファ層１５を説明する。
【００９９】
図２Ｂには、図１中のＡ―Ａ’線における本発明の技術を含むダイオードを示す。図２Ｂに示すｎドリフト層１４は、不純物濃度Ｃｎ―,ｄが１．０×１０１２〜１．０×１０１５ｃｍ−３のＦＺ法にて作製されたＦＺウエハを用いて形成する。最終的なｎドリフト層１４の厚みは、図２Ａ中のｔｄｅｖｉｃｅが４０〜７００μｍとなる程度である。図２Ｂのダイオードを構成する各拡散層は以下のパラメータになるように、図５に示す図２Ｃのダイオードを製造するウエハプロセスと同じプロセスにてイオン注入およびアニーリング技術を用いて形成する。
【０１００】
・ｐアノード層１０: 表面不純物濃度は１．０×１０１６ｃｍ−３以上、ピーク不純物濃度は２．０×１０１６〜１．０Ｅ１８ｃｍ−３、深さは２．０〜１０．０μｍ
・ｎ＋カソード層１７:表面不純物濃度は１．０×１０１８から１．０×１０２１ｃｍ−３、深さは０．３〜１．０μｍ
【０１０１】
ｎバッファ層１５はｎ＋カソード層１７側の第１バッファ部分ｎｂ１と、ｎドリフト層１４側の第２バッファ部分ｎｂ２を備える。第１バッファ部分ｎｂ１のピーク不純物濃度Ｃｎｂ１,ｐは１．０×１０１６〜５．０×１０１６ｃｍ−３であり、深さＸｊ,ｎｂ１は２．０〜５．０μmである。第２バッファ部分ｎｂ２のピーク不純物濃度Ｃｎｂ２,ｐは５．０×１０１３〜５．０×１０１４ｃｍ−３であり、深さＸｊ,ｎｂ２は４．０〜５０μｍである。
【０１０２】
図２８は、４５００Ｖクラスの図２Ｂのダイオードにおける２９８Ｋでのsnappyなリカバリー動作におけるｎバッファ構造依存性を示す図である。図中の“ref.”が従来のｎバッファ層１５を用いたサンプルの結果であり、“new buffer”が本発明のｎバッファ層１５を用いたサンプルの結果である。図中の丸囲みされた×印はデバイスが破壊したポイントを示す。図２Ｂのダイオードは、リカバリー動作時のsnap-off現象抑制効果が図２Ｃのダイオードに比べ小さい。その理由は、リカバリー動作後半でのカソード側に残留キャリアプラズマ層が枯渇しやすいためである。したがって、図２８の従来のｎバッファ層の波形のようにsnap-off現象発生しデバイス破壊に至るおそれがある。
【０１０３】
しかしながら、本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ｂの構造を有するダイオードでは、リカバリー動作時の図２に示す主接合から伸びる空乏層がｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部から第２バッファ部分ｎｂ２に至ると第２バッファ層ｎｂ２のゆるやかな濃度勾配により、空乏層の伸びるスピードが低下し、従来のｎバッファ層を用いる場合よりsnap-off現象が発生してもその電圧が小さくなる効果がある。さらに、従来のｎバッファ層にてsnap-off現象が発生するポイントでは、カソード側に残留キャリアプラズマ層が存在していることでsnap-offポイントを遅延させることができる。
【０１０４】
図２９には、図２８に示す従来のｎバッファ層を用いる図２Ｂのダイオードでのsnap-offポイントにおけるデバイス内部状態のシミュレーション結果を示す。図中には、従来のｎバッファ層１５に加えて、本発明のｎバッファ層１５に関する内部状態も示されている。図２９より、従来のｎバッファ層では、カソード側に残留キャリアプラズマ層が枯渇する結果となっている。一方、本発明のｎバッファ層１５を用いる図２Ｂのダイオードでは、図３Ｂに示すようにカソード側にキャリアプラズマ層が存在し、図２８のように従来のｎバッファ層のサンプルでsnap-off現象が発生するポイントではsnap-off現象が発生しない結果となる。
【０１０５】
図３０は、４５００Ｖクラスの図２Ｂのダイオードにおける２９８ＫでのＶsnap-offとＶＣＣとの関係のnバッファ構造依存性を示す図である。図中の丸囲みされた×印はデバイスが破壊したポイントを示す。図より、図２Ｂの構造でも本発明のｎバッファ層１５を用いることで、デバイスが破壊するポイントが高ＶＣＣ側へシフトし、snappyなリカバリー動作時の破壊耐量が向上することがわかる。ただし、これまでの実施形態１、２のように、図２Ｂのダイオード構造でも本発明のｎバッファ層１５を用いる場合には適切なｎバッファ層１５のパラメータを設定する必要がある。つまり、Ｃｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値が大きくなりすぎると逆にｎドリフト層１４と第２バッファ部分ｎｂ２の接合部の電界強度が上昇し破壊しやすくなる。そのため、図２Ｂのダイオードに本発明のｎバッファ層１５を用いる場合でも、実施形態１、２で説明したＣｎｂ２,ｐ／Ｃｎ―,ｄ値の許容範囲とする必要がある。
【０１０６】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、実施の形態１−３のｎバッファ層とは異なるｎバッファ層を有する。図３１は、実施の形態４に係る半導体装置のｎバッファ層の不純物分布を示す図である。図３１には、ｎバッファ層１５が、第１バッファ部分ｎｂ１、第２バッファ部分ｎｂ２及び第３バッファ部分ｎｂ３で構成されたことが開示されている。別の見方をすれば、第２バッファ部分ｎｂ２を複数形成するということである。このような構成で、実施の形態１〜３のようなデバイス特性への効果が見込める。
【０１０７】
この場合、複数のバッファ部分を形成するめにイオン注入又は照射技術等でイオン種をＳｉへ導入する際のピーク位置は、各バッファ部分の接合部(Ｘｊ,ｎｂ２〜ｎ)より深くなるように設定する。例えば第２バッファ部分の不純物ピーク位置は第１バッファ部分と第２バッファ部分の接合部よりも深くし、第３バッファ部分の不純物ピーク位置は第２バッファ部分と第３バッファ部分の接合部よりも深くする。
【０１０８】
ところで、基板下面側の縦構造としては、不純物がドープされた不純物層、不純物層の上に設けられたｎバッファ層、及びｎバッファ層の上のｎドリフト層を有することが多い。不純物層というのは、ＩＧＢＴの場合はコレクタ層であり、ダイオードの場合はカソード層である。そして、本発明の実施の形態４のように、ｎバッファ層１５が、ピーク不純物濃度とｎバッファ層１５の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有する場合、複数のバッファ部分のうち最も不純物層側のバッファ部分である第１バッファ部分の活性化アニール完了後に、残りのバッファ部分を形成する。言い換えれば、複数のバッファ部分については、コレクタ層又はカソード層側のものから順次形成する。
【０１０９】
ｎバッファ層１５およびそれを構成する第１バッファ部分ｎｂ１と第２〜ｎバッファ部分ｎｂ２〜ｎとは、以下の関係を満足する。第２〜ｎバッファ部分ｎｂ２〜ｎというのは、ｎとして３より大きい整数を入れることで、第２バッファ部分ｎｂ２、第３バッファ部分ｎｂ３、第４バッファ部分ｎｂ４・・・というように、複数の部分を表現しうるものである。
【０１１０】
複数のバッファ部分を有するｎバッファ層は以下の関係を満たすように形成する。
Ｃｎｂ１,ｐ＞Ｃｎｂ２〜ｎ,ｐ
Ｘｊ,ｎｂ１＜Ｘｊ,ｎｂ２〜ｎ
δｎｂ１＞δｎｂ２〜ｎ
【０１１１】
Ｃｎｂ１,ｐ＞Ｃｎｂ２〜ｎ,ｐとは、複数のバッファ部分のうち、第１バッファ部分のピーク不純物濃度が最も高いことを意味する。
δｎｂ１＞δｎｂ２〜ｎとは、第１バッファ部分ｎｂ１は、複数のバッファ部分のうち最も高い不純物濃度勾配を有することを意味する。また上記関係から、本実施形態のｎバッファ層１５を構成する第１バッファ部分ｎｂ１と第２〜ｎバッファ部分ｎｂ２〜ｎのそれぞれの役割と、図３に示す目標とするｎバッファ層の役割との関係は以下のようになる。
【０１１２】
・第１バッファ部分: staticな状態での主接合から伸びてくる空乏層を止め、安定的な耐圧特性、オフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化への役割
・第２〜ｎバッファ部分:ｐｎｐトランジスタのベース幅を広げる役割がありその結果αｐｎｐを下げてオフ時つまり耐圧保持時の低リーク電流による低オフロス化の役割および、staticおよびdynamicな状態での主接合から伸びてくる空乏層の伸びるスピートをｎドリフト層１４内の移動時より緩やかにし、かつON状態からの残留キャリアプラズマ層を存在させ電界強度分布を制御する役割
【０１１３】
また、実施形態１で説明したｎバッファ層１５のパラメータの許容範囲に関して、図３１に示す不純物プロファルの場合は以下の関係となる。
【０１１４】
Ｃｎｂｉ,ｐ／Ｃｎー,ｄ値に関して、複数のバッファ部分のうち、第１バッファ部分を除く部分と、ｎドリフト層は、以下の関係式を満足する。
【０１１５】
【数２】
2017115434.tif 000004
【０１１６】
ここで、
Ｃｎ―,ｄ:ｎドリフト層１４の不純物濃度
Ｃｎｂｉ,ｐ:第２〜ｎバッファ部分ｎｂ２〜ｎのピーク濃度、より詳しく言えば、ｎバッファ層の下面に近い位置からｉ番目のバッファ部分におけるピーク不純物濃度
である。α値は以下のとおりである。
【０１１７】
【数３】
2017115434.tif 000005
【０１１８】
ここで、
Ｄｏｓｅｎｂ１,ｅｆｆｅｃｔ:第１バッファ部分ｎｂ１の活性化後の実効ドーズ量
Ｄｏｓｅｎｂ２〜ｎ,ｅｆｆｅｃｔ:第２〜ｎバッファ部分ｎｂ２〜ｎの活性化後の実効ドーズ量
である。第１バッファ部分ｎｂ１は、複数のバッファ部分のうち最も大きい活性化後の実効ドーズ量を有する。この関係式は、ｎバッファ層の活性化後の実効ドーズ量に占める、複数のバッファ部分のうち第１バッファ部分以外のバッファ部分の活性化後の実効ドーズ量の割合αは、０．５〜５％であることを示す。
【０１１９】
ＩＧＢＴでは、最もｐコレクタ層側のバッファ部分は第１バッファ部分である。ダイオードでは、最もカソード層側のバッファ部分は第１バッファ部分である。また、本発明の効果を得るために、最もｎドリフト層側のバッファ部分の不純物濃度勾配は０．０５〜０．５０decade cm-3/μmとする。このように、ピーク不純物濃度とｎバッファ層の裏面からの距離が異なる３層以上のバッファ部分を有するｎバッファ層１５を提供することができる。なお、複数のバッファ部分のｎドリフト層側の不純物濃度勾配を比べたとき、最もｎドリフト層側のバッファ部分の不純物濃度勾配を最もゆるやかにすることで、本発明の効果を得ることができる。
【０１２０】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る半導体装置は、図１に示すパワー半導体の構成要素と実施形態１〜４に示す特徴的なｎバッファ層１５との関係により、ＩＧＢＴ及びダイオードのターンオフ時の遮断能力を向上する技術に関する。
【０１２１】
図３２Ａ、３２Ｂおよび図３２Ｃ〜３２Ｇは、それぞれ本発明のｎバッファ層１５を用いたＩＧＢＴおよびダイオードの図１の構成要素を加えた図１に示すＡ’’―Ａ’’’線における断面図である。図に示すように、ＩＧＢＴ、ダイオードともアクティブセル領域１と中間領域２からエッジターミネーション領域５にてメタル２９と接する縦構造が異なる。つまり、図３２に示す構造は、ＩＧＢＴ、ダイオードともＯＮ状態から中間領域２からエッジターミネーション領域５のコレクタ側又はカソード側からのキャリアの注入を抑制する構造となっている。
【０１２２】
図３２Ａには、アクティブセル領域１ではコレクタ層１６とメタル２９が接し、中間領域２とエッジターミネーション領域５ではｎバッファ層１５がメタル２９に接するＩＧＢＴが示されている。
【０１２３】
また、図３２Ｂに示す中間領域２からエッジターミネーション領域５にてメタル２９と接する低濃度ｐコレクタ層１６’は、アクティブセル領域１に存在するpコレクタ層１６よりも表面濃度が低濃度な拡散層である。アクティブセル領域１ではｐコレクタ層１６がメタル２９に接し、中間領域２とエッジターミネーション領域５ではｐコレクタ層１６より不純物濃度が低い低濃度ｐコレクタ層１６’がメタル２９と接する。つまり、中間領域２とエッジターミネーション領域５の下面側の縦構造として、ｎドリフト層１４と、ｎバッファ層１５と、低濃度ｐコレクタ層１６’とを備えている。その結果、本発明の構造は、ターンオフ動作時に中間領域２に存在する主接合ｐｎ接合部の電界強度を緩和し、局所的な電界強度の上昇を抑制しインパクトイオン化による電流集中起因の局所的な温度上昇による熱破壊を抑制する作用がある。
【０１２４】
本現象のメカニズム及び効果の詳細は、ＩＧＢＴについては日本特許第5708803号と日本特許第5701447号に開示され、ダイオードについては日本特開2014-241433号(US8686469)に開示されている。図３２に示す構造では、本発明のｎバッファ層１５を用いることで図３２に示す構造固有の上記作用効果に加え、実施例１〜４に示す本発明のｎバッファ層１５によるデバイス性能面への効果を合わせ持つ。
【０１２５】
図３２Ｃには、アクティブセル領域１ではカソード層１７とメタル２９が接し、中間領域２とエッジターミネーション領域５ではｎバッファ層１５とメタル２９が接するダイオードが開示されている。つまり、エッジターミネーション領域５と中間領域２の縦構造として、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５のみを備えている。
【０１２６】
図３２Ｄには、アクティブセル領域１ではｎカソード層１７とｐカソード層１８がメタル２９に接し、中間領域２とエッジターミネーション領域５ではｐカソード層１８とメタル２９が接するダイオードが開示されている。つまり、エッジターミネーション領域５と中間領域２の縦構造として、ｎドリフト層１４とｎバッファ層１５とｐカソード層１８を備えている。
【０１２７】
図３５Ａには、中間領域２とエッジターミネーション領域５の下面側の縦構造として、ｎドリフト層１４と、ｎバッファ層１５と、ｐコレクタ層１６とを備えたことが開示されている。また、図３５Ｂには、中間領域２とエッジターミネーション領域５の下面側の縦構造として、ｎドリフト層１４と、ｎバッファ層１５と、カソード層１７とを備えたことが開示されている。
【０１２８】
図３３には、３３００Ｖクラスの図２Ａに示すＩＧＢＴに対し、従来のｎバッファ層１５を設けたものと、図６Ａに示すような本発明のｎバッファ層１５を設けた構造のＲＢＳＯＡを示す。ＩＧＢＴの構造は図３２Ａの構造である。本発明のｎバッファ層１５を用いたサンプルの結果は、動作温度依存性も同時に示す。縦軸のＪＣ(break)およびmax. Power Densityはそれぞれターンオフ時の最大遮断電流密度と最大パワー密度を示す。図中の“new buffer”が本発明のｎバッファ層１５を用いたサンプルの結果である。また、図中の各パラメータのＶＣＣ依存性を示す線の内側が、SOAである。
【０１２９】
図３４は、６５００Ｖクラスの、従来のｎバッファ層１５を有する図３５Ｃのダイオードと図３２Ｄ、Ｅに示す本発明のｎバッファ層１５を有する構造のリカバリーＳＯＡを示す。縦軸のｍａｘ. ｄｊＡ/ｄｔおよびｍａｘ. Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙは、それぞれリカバリー動作時の最大遮断電流密度の時間微分dj/dｔの最大値と最大パワー密度を示す。
【０１３０】
図３４中の“new buffer”が本発明のｎバッファ層１５を用いたサンプルの結果である。また、図中の各パラメータのＶＣＣ依存性を示す線の内側が、ＳＯＡである。図３３、３４より、本発明のｎバッファ層を有し中間領域２からエッジターミネーション領域５のコレクタ側、カソード側からのキャリア注入抑制するＩＧＢＴおよびダイオードは、従来のｎバッファ層を有するＩＧＢＴ及びダイオードよりも大幅にターンオフ時のＳＯＡが拡大する。よって、本発明の目的の１つであるターンオフ遮断能力の大幅な向上を実現することができる。
【０１３１】
さらに、ＯＮ状態に中間領域２からエッジターミネーション領域５のコレクタ側、カソード側からのキャリア注入を抑制する作用を示す。図３１Ｂおよび図３１Ｃ、３１Ｆ及び３１Ｇに示す構造でも、図３３、３４に示す効果と同様の効果は得られる。
【０１３２】
なお、上記の各実施の形態に係る半導体装置の特徴を適宜に組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。
【符号の説明】
【０１３３】
１  アクティブセル領域、  ２  中間領域、  ５  エッジターミネーション領域、  １５  ｎバッファ層、  ｎｂ１  第１バッファ部分、  ｎｂ２  第２バッファ部分、  ３５  縦構造
【図１】
2017115434.tif 000007
【図２Ａ】
2017115434.tif 000008
【図２Ｂ】
2017115434.tif 000009
【図２Ｃ】
2017115434.tif 000010
【図３Ａ】
2017115434.tif 000011
【図３Ｂ】
2017115434.tif 000012
【図３Ｃ】
2017115434.tif 000013
【図４Ａ】
2017115434.tif 000014
【図４Ｂ】
2017115434.tif 000015
【図４Ｃ】
2017115434.tif 000016
【図４Ｄ】
2017115434.tif 000017
【図４Ｅ】
2017115434.tif 000018
【図４Ｆ】
2017115434.tif 000019
【図４Ｇ】
2017115434.tif 000020
【図４Ｈ】
2017115434.tif 000021
【図４Ｉ】
2017115434.tif 000022
【図４Ｊ】
2017115434.tif 000023
【図４Ｋ】
2017115434.tif 000024
【図４Ｌ】
2017115434.tif 000025
【図４Ｍ】
2017115434.tif 000026
【図５Ａ】
2017115434.tif 000027
【図５Ｂ】
2017115434.tif 000028
【図５Ｃ】
2017115434.tif 000029
【図５Ｄ】
2017115434.tif 000030
【図５Ｅ】
2017115434.tif 000031
【図５Ｆ】
2017115434.tif 000032
【図５Ｇ】
2017115434.tif 000033
【図５Ｈ】
2017115434.tif 000034
【図５Ｉ】
2017115434.tif 000035
【図６Ａ】
2017115434.tif 000036
【図６Ｂ】
2017115434.tif 000037
【図７Ａ】
2017115434.tif 000038
【図７Ｂ】
2017115434.tif 000039
【図８】
2017115434.tif 000040
【図９】
2017115434.tif 000041
【図１０】
2017115434.tif 000042
【図１１】
2017115434.tif 000043
【図１２】
2017115434.tif 000044
【図１３】
2017115434.tif 000045
【図１４】
2017115434.tif 000046
【図１５】
2017115434.tif 000047
【図１６】
2017115434.tif 000048
【図１７】
2017115434.tif 000049
【図１８】
2017115434.tif 000050
【図１９】
2017115434.tif 000051
【図２０】
2017115434.tif 000052
【図２１】
2017115434.tif 000053
【図２２】
2017115434.tif 000054
【図２３】
2017115434.tif 000055
【図２４】
2017115434.tif 000056
【図２５Ａ】
2017115434.tif 000057
【図２５Ｂ】
2017115434.tif 000058
【図２５Ｃ】
2017115434.tif 000059
【図２５Ｄ】
2017115434.tif 000060
【図２５Ｅ】
2017115434.tif 000061
【図２５Ｆ】
2017115434.tif 000062
【図２６】
2017115434.tif 000063
【図２７】
2017115434.tif 000064
【図２８】
2017115434.tif 000065
【図２９】
2017115434.tif 000066
【図３０】
2017115434.tif 000067
【図３１】
2017115434.tif 000068
【図３２Ａ】
2017115434.tif 000069
【図３２Ｂ】
2017115434.tif 000070
【図３２Ｃ】
2017115434.tif 000071
【図３２Ｄ】
2017115434.tif 000072
【図３２Ｅ】
2017115434.tif 000073
【図３２Ｆ】
2017115434.tif 000074
【図３２Ｇ】
2017115434.tif 000075
【図３３】
2017115434.tif 000076
【図３４】
2017115434.tif 000077
【図３５Ａ】
2017115434.tif 000078
【図３５Ｂ】
2017115434.tif 000079
【図３５Ｃ】
2017115434.tif 000080
【国際調査報告】
2017115434.tif 000081
2017115434.tif 000082
2017115434.tif 000083
2017115434.tif 000084