(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板に設けられた第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ前記第１半導体層の第１主面側で当該第１半導体層の少なくとも一部に接して設けられた第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ前記第１半導体層の第２主面側で当該第１半導体層に接して設けられた第１導電型の第３半導体層と、前記第２半導体層の少なくとも一部に接触する第１電極と、前記第３半導体層の少なくとも一部に接触する第２電極と、を備え、前記第１半導体層中に当該第１半導体層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも１か所あり、かつ前記第１半導体層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第２半導体層および前記第３半導体層の両方に向かって低くなる半導体装置において、
前記第１半導体層中の不純物濃度が前記極大となる箇所の炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、
前記第１半導体層中に、不純物濃度が前記極大となる箇所から前記第２半導体層および前記第３半導体層の両方に向かって低くなる高濃度領域を有し、
前記高濃度領域中に炭素原子で終端された欠陥を含み、
前記第１半導体層と前記第３半導体層との間に、前記第１半導体層よりも不純物濃度が高く、前記第３半導体層よりも不純物濃度が低い、第１導電型の第４半導体層が設けられており、
前記第４半導体層の不純物濃度は、当該第４半導体層の不純物濃度が極大となる箇所から前記第１半導体層および前記第３半導体層の両方に向かって低くなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１半導体層と前記第２半導体層との界面から、前記高濃度領域の前記第３半導体層側の端部Ｘ１までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値が、当該端部Ｘ１から、前記第１半導体層と前記第３半導体層との界面までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１半導体層と前記第２半導体層との界面から、前記高濃度領域の前記第３半導体層側の端部Ｘ１までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値が、一様であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１半導体層と前記第２半導体層との界面から、前記高濃度領域の前記第３半導体層側の端部Ｘ１近傍までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値の極小値と極大値との差が１０倍以内であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記高濃度領域の前記第３半導体層側の端部Ｘ１から、前記第１半導体層と前記第３半導体層との界面までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値が２０μｓ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１半導体層中の不純物濃度が前記極大となる箇所に水素原子が含まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１半導体層中の不純物濃度が前記極大となる箇所に含まれた水素原子が、ドナー化していることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１半導体層中の不純物濃度の最小の値が、前記半導体基板の不純物濃度と同等であり、前記第１半導体層中の不純物濃度が前記極大となる箇所の不純物濃度の２０％以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第４半導体層の半値全幅が０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第４半導体層の半値全幅が、好ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
第１導電型の半導体基板に設けられた第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ前記第１半導体層の第１主面側で当該第１半導体層の少なくとも一部に接して設けられた第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ前記第１半導体層の第２主面側で当該第１半導体層に接して設けられた第１導電型の第３半導体層と、前記第２半導体層の少なくとも一部に接触する第１電極と、前記第３半導体層の少なくとも一部に接触する第２電極と、を備え、前記第１半導体層中に当該第１半導体層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも１か所あり、かつ前記第１半導体層の不純物濃度が、前記極大となる箇所から前記第２半導体層および前記第３半導体層の両方に向かって低くなっており、前記第１半導体層中の不純物濃度が前記極大となる箇所の炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、前記第１半導体層と前記第３半導体層との間に、前記第１半導体層よりも不純物濃度が高く、前記第３半導体層よりも不純物濃度が低い、第１導電型の第４半導体層が設けられている半導体装置を製造するにあたって、
炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、前記第１半導体層となる第１導電型の前記半導体基板の第１主面側の表面に水素イオンを、５ＭｅＶ以上の加速電圧で照射する第１工程と、
前記半導体基板を２００℃以上３５０℃以下の温度で熱処理をおこなうことによって、前記半導体基板中に、ネットドーピング濃度が極大となる領域と、前記半導体基板の平均的な少数キャリアのキャリアライフタイムよりもキャリアライフタイムの値が小さい領域と、を形成する第２工程と、
前記半導体基板の第２主面側を研削する第３工程と、
前記半導体基板の第２主面側の研削により露出された面に第１導電型の不純物を注入する第４工程と、
第１導電型の不純物を注入した面にレーザ光を照射することによって、注入された前記不純物を電気的に活性化させる第５工程と、
を含み、
前記第３工程と前記第４工程との間に、前記半導体基板の第２主面側の研削により露出された面に水素イオンを照射する第６工程を含み、
前記第５工程においては、前記第６工程において照射された前記水素イオンと、前記第４工程において注入された前記不純物と、をともに電気的に活性化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１工程においては、前記水素イオンを、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下のドーズ量で照射す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。
【請求項１３】
前記第６工程においては、前記水素イオンを３００ｋｅＶ以上１ＭｅＶ以下の加速電圧で照射することを特徴とする請求項１１または１２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、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（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置として、６００Ｖ、１２００Ｖまたは１７００Ｖ等の耐圧クラスのダイオードやＩＧＢＴ等がある。近時、これらのデバイスの特性改善が進んでいる。電力用半導体装置は、高効率で省電力なコンバーター−インバータ等の電力変換装置に用いられており、回転モータやサーボモータの制御に不可欠である。
【０００３】
このような電力制御装置には、低損失で省電力であり、また高速、高効率であり、さらに環境に優しい、すなわち周囲に対して悪影響を及ぼさないという特性が要求されている。このような要求に対して、慣用の半導体基板（例えばシリコンウェハー）の表面側領域を形成し、研削等により裏面側を薄くした後に、その研削面側から所定の濃度で元素をイオン注入し、熱処理をおこなう方法が公知である（例えば、下記特許文献１参照。）。なお、これらのＩＧＢＴのキャリア周波数は、１〜１０ｋＨｚ以上に拡張されつつある。
【０００４】
さらに、ブロードバッファ構造のダイオードが提案されている。ブロードバッファ構造とは、Ｎ-ドリフト層の平均的な濃度分布が、同層のほぼ中間付近にピーク（極大値）を有し、かつアノードおよびカソード方向に向かって、傾きをもって減少するような構造のことである（例えば、下記特許文献２参照。）。
【０００５】
ブロードバッファ構造のダイオードでは、従来のエミッタ注入効率を下げるとともにライフタイム分布の制御を行う技術では困難であるような高速動作（例えば、キャリア周波数：２０ｋＨｚ以上）でのソフトリカバリー特性および発振抑制効果を実現することができる。このようなブロードバッファ構造のダイオードを作製する方法として、特許文献２には、ＦＺ（フロートゾーン）バルクウェハーにプロトン（Ｈ+）を照射し、熱処理を行うことによって、バルク内部の飛程Ｒｐの近傍でプロトンをドナー化させる方法が開示されている。
【０００６】
また、上記特許文献２の他にも、プロトンの照射と熱処理によるプロトンのドナー化現象を利用して高濃度のＮ+層を形成する方法が種々提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。具体的には、Ｎ型ドリフト層内に所定の位置、所定の厚みのＮ型バッファ層を形成する方法が公知である（例えば、下記特許文献４参照。）。また、Ｎ-ドリフト層とＮ+カソード層との間に、不純物濃度がＮ-ドリフト層より高濃度でＮ+カソード層より低濃度であり、厚さがＮ+カソード層より厚いＮバッファ層を形成する方法が公知である（例えば、下記特許文献５参照。）。
【０００７】
さらに、プロトンやヘリウムイオンのような、周期律表において軽い質量の元素のイオンの照射によりシリコンウェハー中に欠陥を形成し、熱処理によりその残留欠陥を調整して、局所的にライフタイムを低減する方法が提案されている（下記、非特許文献１第６８頁〜第７１頁参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特表２００２−５２０８８５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１８４１２号公報
【特許文献３】国際公開第２００７／０５５３５２号パンフレット
【特許文献４】特開２００３−１５２１９８号公報
【特許文献５】特開２００７−１５８３２０号公報
【非特許文献１】社団法人  電気学会  高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会編、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、第１版、株式会社コロナ社、１９９６年７月３０日、ｐ．６８−７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ダイオードでは、オン状態からオフ状態にスイッチするとき（逆回復時）に、アノード側からカソード側に向かって空間電荷領域がＮ-ドリフト層中を拡がる。このとき、ドリフト層中に蓄積されたキャリア（以下「蓄積キャリア」という）が空間電荷領域の拡がりによって掃き出されるため、ドリフト層中のキャリア濃度が急速に減少する。ここで、単位電圧あたりの空間電荷領域の拡がりの幅が大きいと、その分蓄積キャリアが多く掃き出されるため、逆回復の途中で、ドリフト層中の蓄積キャリアが枯渇する。これによって、いわゆるスナッピーな逆回復（ハードリカバリー）となり、逆回復電圧・電流ともに発振波形になる場合がある。
【００１０】
上述した特許文献２に開示されているように、従来のブロードバッファダイオードは、空間電荷領域のピン止め効果（空乏層の伸びがバッファ層でストップする現象のこと）によって空間電荷領域の拡張を抑制し、蓄積キャリアが枯渇することを防止して、逆回復電圧・電流の発振を抑える。また、高い耐圧を維持しながらＮ-層を薄くすることができるので、導通損失や逆回復損失を低減することができる。
【００１１】
しかしながら、ダイオードにおいては発振を抑えるだけでなく、逆回復時の逆回復電流の値を小さくすることや、この逆回復電流がゼロに達するまでの電流減少率を小さくすることも要求されている。その理由は、逆回復電流を小さく抑えることによって、対向アームにあるＩＧＢＴがターンオンするときのピーク電流を小さくして、ターンオン損失を低減する効果があるためである。また、逆回復時の電流減少率を小さくすることによって、電気回路上の浮遊インダクタンスによるダイオードのサージ電圧を小さく抑える効果があるためである。
【００１２】
ここで、従来の文献では、ブロードバッファ構造のダイオードにおいて、サージ電圧を抑えることについては開示されているが、逆回復電流を低減することについては記載されていない。したがって、逆回復電流を低減するためには、ブロードバッファ構造以外の部分のキャリア濃度を調整しなければならない。具体的には、ウェハー表面のアノード層に、少数キャリアを低く注入したり、少数キャリアのライフタイム制御をおこなわなければならないという課題がある。
【００１３】
さらに、プロトン照射後のライフタイム分布は、ライフタイム値が飛程Ｒｐの近傍で極小値をとるような分布となる。その理由は、プロトンがもっとも局在する飛程Ｒｐの近傍で格子欠陥の密度が多くなるためである。このようなライフタイム分布をもつＰｉＮダイオードの逆バイアス時の漏れ電流値ＪRは、次の（１）式によって与えられる。ただし、電荷質量をｑ、ホールおよび電子の拡散係数をそれぞれＤｐおよびＤｎ、ホールおよび電子のライフタイムをそれぞれτｐおよびτｎ、不純物を含まない真性半導体のキャリア濃度、すなわち真性キャリア濃度（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）をｎｉ、ダイオード内に拡がる空乏層の幅をＷ、空乏層内の実効的なライフタイムをτｅとする。
【００１４】
【数１】
0005374883.tif 000002
【００１５】
拡散電流が十分に小さい場合、上述の（１）式においては、実質的に２項目の空乏層中における発生電流のみが漏れ電流値ＪRに寄与することとなる。したがって、空乏層内の実効的なライフタイムτｅの最小値τminによって、漏れ電流値ＪRの最大値が決まる。従来の方法で、プロトンを照射して熱処理（アニール）をおこなうことで形成されたブロードバッファ構造のダイオードは、例えば、τminが３０ｎｓ程度であり、エピタキシャルウェハに電子照射をおこなうことで形成されたブロードバッファ構造のダイオード（τminが約６００ｎｓ）よりもτminが小さくなるため、漏れ電流値が大きくなる。したがって、従来のプロトンを照射したダイオードでは、漏れ電流がキンク波形となり、素子の熱暴走が引き起こされることがあるため、キンク波形を抑制する必要がある。
【００１６】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高速・低損失であるだけでなく、ソフトリカバリー特性をも兼ね備え、さらに、漏れ電流のキンク波形を抑制することのできる半導体装置およびそ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】
【００１７】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第１導電型の半導体基板に第１導電型の第１半導体層が設けられている。第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ第１半導体層の第１主面側で第１半導体層の少なくとも一部に接して、第２導電型の第２半導体層が設けられている。また、第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ第１半導体層の第２主面側で第１半導体層に接して、第１導電型の第３半導体層が設けられている。第２半導体層の少なくとも一部に接触する第１電極と、第３半導体層の少なくとも一部に接触する第２電極と、が設けられている。第１半導体層中には、第１半導体層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも１か所あり、かつ第１半導体層の不純物濃度が、極大となる箇所から第２半導体層および第３半導体層の両方に向かって低くなる。また、第１半導体層中の不純物濃度が極大となる箇所の炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。そして、第１半導体層中に、不純物濃度が極大となる箇所から第２半導体層および第３半導体層の両方に向かって低くなる高濃度領域を有し、高濃度領域中に炭素原子で終端された欠陥を含み、第１半導体層と第３半導体層との間に、第１半導体層よりも不純物濃度が高く、第３半導体層よりも不純物濃度が低い、第１導電型の第４半導体層が設けられており、第４半導体層の不純物濃度は、第４半導体層の不純物濃度が極大となる箇所から第１半導体層および第３半導体層の両方に向かって低くなることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１半導体層と第２半導体層との界面から、高濃度領域の第３半導体層側の端部Ｘ１までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値が、端部Ｘ１から、第１半導体層と第３半導体層との界面までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値よりも小さいことを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１半導体層と第２半導体層との界面から、高濃度領域の第３半導体層側の端部Ｘ１までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値が、一様であることを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１半導体層と第２半導体層との界面から、高濃度領域の第３半導体層側の端部Ｘ１近傍までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値の極小値と極大値との差が１０倍以内であることを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、高濃度領域の第３半導体層側の端部Ｘ１から、第１半導体層と前記第３半導体層との界面までの少数キャリアのキャリアライフタイムの値が２０μｓ以上であることを特徴とする。
【００２２】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１半導体層中の不純物濃度が極大となる箇所に水素原子が含まれていることを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１半導体層中の不純物濃度が極大となる箇所に含まれた水素原子が、ドナー化していることを特徴とする。
【００２４】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１半導体層中の不純物濃度の最小の値が、半導体基板の不純物濃度と同等である。また、第１半導体層中の不純物濃度が極大となる箇所の不純物濃度の２０％以下であることを特徴とする。
【００２６】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第４半導体層の半値全幅が０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第４半導体層の半値全幅が、好ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２８】
また、上述した課題を解決し、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、第１導電型の半導体基板に設けられた第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ第１半導体層の第１主面側で第１半導体層の少なくとも一部に接して設けられた第２導電型の第２半導体層と、第１半導体層よりも高不純物濃度で、かつ第１半導体層の第２主面側で第１半導体層に接して設けられた第１導電型の第３半導体層と、第２半導体層の少なくとも一部に接触する第１電極と、第３半導体層の少なくとも一部に接触する第２電極と、を備え、第１半導体層中に第１半導体層の不純物濃度が極大となる箇所が少なくとも１か所あり、かつ第１半導体層の不純物濃度が、極大となる箇所から第２半導体層および第３半導体層の両方に向かって低くなっており、第１半導体層中の不純物濃度が極大となる箇所の炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、第１半導体層と第３半導体層との間に、第１半導体層よりも不純物濃度が高く、第３半導体層よりも不純物濃度が低い、第１導電型の第４半導体層が設けられている半導体装置を製造するにあたって、まず、炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、第１半導体層となる第１導電型の半導体基板の第１主面側の表面に水素イオンを、５ＭｅＶ以上の加速電圧で照射する（第１工程）。次いで、半導体基板を２００℃以上３５０℃以下の温度で熱処理をおこなうことによって、半導体基板中に、ネットドーピング濃度が極大となる領域と、半導体基板の平均的な少数キャリアのキャリアライフタイムよりもキャリアライフタイムの値が小さい領域と、を形成する（第２工程）。次いで、半導体基板の第２主面側を研削する（第３工程）。そして、半導体基板の第２主面側の研削により露出された面に第１導電型の不純物を注入する（第４工程）。さらに、第１導電型の不純物を注入した面にレーザ光を照射することによって、注入された不純物を電気的に活性化させる（第５工程）。そして、第３工程と第４工程との間に、半導体基板の第２主面側の研削により露出された面に水素イオンを照射する（第６工程）。また、第５工程においては、第６工程において照射された水素イオンと、第４工程において注入された不純物と、をともに電気的に活性化させることを特徴とする。
【００２９】
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、半導体基板の第１主面側の表面に水素イオンを照射する際（第１工程時）に、水素イオンを、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下のドーズ量で照射することを特徴とする。
【００３１】
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、半導体基板の第２主面側の研削により露出された面に水素イオンを照射する際（第６工程時）に、水素イオンを３００ｋｅＶ以上１ＭｅＶ以下の加速電圧で照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、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、さらに、漏れ電流のキンク波形を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ＮまたはＰを冠した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ＮやＰに付す「+」および「-」は、それぞれ相対的に不純物濃度が高いまたは低いことを意味する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、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。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびライフタイム分布を示す図である。図１において半導体装置の断面図１００に示すように、Ｎ-ドリフト層となるＮ型の第１半導体層１の一方の主面側に、Ｐアノード層となるＰ型の第２半導体層２が形成されている。また、第１半導体層１の他方の主面側に、Ｎ+カソード層となるＮ型の第３半導体層３が形成されている。そして、第２半導体層２の表面には、アノード電極４が形成されている。また、第３半導体層３の表面には、カソード電極５が形成されている。
【００３５】
図１においてアノード電極からの距離−ネットドーピング濃度（ｌｏｇ）の特性図１１０に示すように、第１半導体層１のネットドーピング濃度は、第１半導体層１のほぼ中間付近にピークを有し、第２半導体層２および第３半導体層３に向かって、傾きをもって減少している。すなわち、実施の形態１の半導体装置は、ブロードバッファ構造となっている。第２半導体層２と第３半導体層３のネットドーピング濃度は、ともに第１半導体層１のネットドーピング濃度よりも高い。
【００３６】
また、図１においてアノード電極からの距離−ライフタイム分布の特性図１２０に示すように第１半導体層１と第２半導体層２との界面から、ブロードバッファ構造のカソード側端部の位置Ｘ１までの間のライフタイムは、位置Ｘ１から第１半導体層１と第３半導体層３との界面までの間のライフタイムよりも小さい。この、位置Ｘ１から第１半導体層１と第３半導体層３との界面までの間は、ライフタイムが未調整の領域、すなわち重金属または軽イオン等による欠陥が導入されていないノンキラー領域であり、ライフタイム値が
２０μｓ以上である。
【００３７】
また、第１半導体層１と第２半導体層２との界面から、位置Ｘ１の近傍までの間のライフタイム値の最大値と最小値の差が１０倍以内である。ここで、ブロードバッファ構造が形成される領域の幅は、全ての第１半導体層１が空乏化する時、その幅の約１０％〜２０％である。そのブロードバッファ構造の範囲のみで、ライフタイムの最大値と最小値の差が１０倍以内であれば、第１半導体層１の平均的なライフタイムの変化は約１％〜２％であり、概ね一様である。したがって、第１半導体層１と第２半導体層２との界面から、位置Ｘ１の近傍までの間のライフタイム値は概ね一様であるといえる。このようなライフタイムになる理由は、第１半導体層の不純物濃度が極大となる箇所の炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であるからである。なお、炭素濃度の範囲の理由については、後述する。
【００３８】
一例として、実施の形態１の半導体装置を、耐圧が１２００Ｖクラスで、定格電流が１５０Ａとなるように、作製した場合の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。寸法については、第２半導体層２とアノード電極４との界面を基準とし、特に断らない限りこの界面からの距離で表す。
【００３９】
第２半導体層２と第１半導体層１との界面までの距離は、３μｍである。第３半導体層３とカソード電極５との界面までの距離は、１２０μｍである。第１半導体層１と第３半導体層３との界面から、第３半導体層３とカソード電極５との界面までの距離、すなわち第３半導体層３の厚さは、０．５μｍである。
【００４０】
第２半導体層２のネットドーピング濃度は、アノード電極４との界面において５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、第１半導体層１に向かって低くなり、第１半導体層１との界面では、３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも低い。第１半導体層１のネットドーピング濃度は、第２半導体層２との界面では、３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも低いが、第２半導体層２との界面近傍で３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃとなる。以下では、濃度を示す単位としてａｔｏｍｓ／ｃｃとａｔｏｍｓ／ｃｍ3を用いて説明するが、「ｃｃ」と「ｃｍ3」は同じである。
【００４１】
そして、第１半導体層１のほぼ中間付近でピークとなる箇所のネットドーピング濃度は、２．５×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｃである。また、第１半導体層１の、第３半導体層３との界面およびその付近におけるネットドーピング濃度は、３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃである。また、第３半導体層３のネットドーピング濃度は、第１半導体層１との界面において３×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、カソード電極５に向かって高くなり、カソード電極５との界面で１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｃとなる。
【００４２】
また、第１半導体層１のネットドーピング濃度がピークとなる箇所までの距離は、５０μｍである。この距離は、製造段階で第２半導体層２の表面にプロトンを照射したときのプロトンの飛程Ｒｐに等しい。このプロトンの飛程Ｒｐの前後でプロトンの濃度が高くなる。また、位置Ｘ１までの距離は、約７０μｍである。また、ライフタイムについては、第１半導体層１と第２半導体層２との界面から位置Ｘ１近傍までの値が０．１μｓであり、位置Ｘ１の近傍で高くなる。そして、ノンキラー領域でのライフタイム値は２０μｓ以上である。
【００４３】
実施の形態１によれば、第２半導体層と第１半導体層との界面（ＰＮ接合面）から、ブロードバッファ構造のアノード側の端部までの領域、すなわちプロトンの照射領域のライフタイムを一様に低くすることができる。
【００４４】
次に、実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスについて説明する。ここでは、一例として、図１に例示した寸法およびネットドーピング濃度の半導体装置（耐圧：１２００Ｖクラス、定格電流：１５０Ａ）を製造する場合について説明する。図２−１〜図２−６は、製造プロセスを示す図である。
【００４５】
まず、図２−１に示すように、半導体基板として、比抵抗が９０〜３００Ωｃｍ、例えば１５０Ωｃｍ（リン濃度３．０×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）である、ＦＺウェハー１０を用意する。ＦＺウェハー１０は、後に不純物濃度が極大となる箇所の炭素濃度が６．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。なお、以下の説明において、半導体基板自体の濃度を、バルク濃度と呼ぶ。そして、標準的なダイオードのプロセス工程によって、Ｐアノード層となる第２半導体層２、図示しないガードリングエッジ構造、絶縁膜６およびアノード電極４を形成する。第２半導体層２の濃度は、例えば１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、その深さは、例えば、３μｍである。また、アノード電極４の材料は、例えばＡｌＳｉ１％である。
【００４６】
次いで、図２−２に示すように、アノード電極４の側からＦＺウェハー１０に、サイクロトロンにより加速されたプロトンを照射する。その際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば７．９ＭｅＶであり、プロトンのドーズ量は、例えば２．０×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。また、アルミアブソーバーを用い、その厚さを調節して、プロトンの飛程がＦＺウェハー１０の半導体とアノード電極４との界面から５０μｍとなるようにする。図２−２において、×印は、プロトンの照射によりＦＺウェハー１０内に生じた結晶欠陥１１を表す。
【００４７】
次いで、例えば３５０℃で１時間の熱処理を窒素雰囲気で行い、結晶欠陥１１を回復させる。それによって、図２−３に示すように、ＦＺウェハー１０の半導体とアノード電極４との界面から５０μｍの深さのところを中心としてその前後に高濃度領域１２ができる。この高濃度領域１２によって、所望のブロードバッファ構造が形成される。
【００４８】
次いで、図２−４に示すように、ＦＺウェハー１０の、アノード電極４が形成された面と反対側の面から研削やウェットエッチングを行い、ＦＺウェハー１０を所定の厚さにする。１２００Ｖクラスの場合、この段階でのＦＺウェハー１０の厚さは、典型的には１００〜１６０μｍである。実施の形態１では、この段階でのＦＺウェハー１０の厚さは、例えば１２０μｍである。
【００４９】
次いで、図２−５に示すように、ＦＺウェハー１０の、研削やウェットエッチングが行われた面に対してリン（Ｐ）等のＮ型不純物をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば５０ｋｅＶであり、ドーズ量は、例えば１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。次いで、そのイオン注入面に対して、ＹＡＧ第２高調波レーザ等のレーザ光をダブルパルス法にて照射する。
【００５０】
ここで、ダブルパルス法とは、レーザ光の照射エリアごとに、複数のレーザ照射装置から所定の遅延時間だけ照射タイミングをずらして複数のパルスレーザを連続的に照射する方法である。ダブルパルス法については、特開２００５−２２３３０１号公報に詳述されている。
【００５１】
ダブルパルス法によりレーザ光を照射する際のエネルギー密度は、レーザ光の照射エリアごとに、合計で例えば３Ｊ／ｃｍ2である。また、ダブルパルスの遅延時間は、例えば３００ｎｓｅｃである。このレーザ照射によって、その前にイオン注入されたリン等のＮ型不純物が電気的に活性化して、Ｎ+カソード層となる第３半導体層ができる。
【００５２】
最後に、図２−６に示すように、第３半導体層３の表面にチタン、ニッケルおよび金の順で金属を成膜し、第３半導体層３にオーミック接触するカソード電極５を形成し、半導体装置（ダイオード）が完成する。ＦＺウェハー１０の、第２半導体層２と第３半導体層３の間の部分は、第１半導体層１となる。図２−６の特性図は、図２−６に断面図を示す半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
【００５３】
また、図３−１〜図３−８は、別の製造プロセスを示す図である。まず、図３−１に示すように、ＦＺウェハー１０の両面にリンガラス１３を塗布し、窒素および酸素雰囲気で例えば１３００℃、１０時間の熱処理を行って、両面からリンを拡散させる。この熱処理によって、ＦＺウェハー１０の両面からウェハー内に大量の酸素（Ｏ）が導入され、ＦＺウェハー１０における酸素濃度は、固溶限界濃度（約１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となる。
【００５４】
そして、図３−１に一点鎖線で示すように、ＦＺウェハー１０を表面より研削し、ウェハー表面の高濃度のリン拡散層１４を除去する。これによって、図３−２に示すように、高濃度のリン拡散層１４からなる第３半導体層１５を有するＦＺウェハー１６が得られる。このＦＺウェハー１６の一方の表面をポリッシュ（研磨）して鏡面に仕上げる。また、薄いＦＺウェハー１６の他方の面（裏面）の表面濃度は、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度であり、高濃度のリンが例えば８０μｍの深さまで拡散している。この時点で、ウェハーの総厚は約５００μｍである。次いで、この裏面にリン拡散層１４の形成されたＦＺウェハー１６を用いて、図３−３に示すように、標準的なダイオードのプロセス工程によって、Ｐアノード層となる第２半導体層２、図示しないガードリングエッジ構造、絶縁膜６およびアノード電極４を形成する。
【００５５】
次いで、図３−４に示すように、アノード電極４の側からＦＺウェハー１６に、サイクロトロンにより加速されたプロトンを照射する。その際、サイクロトロンの加速電圧は、例えば７．９ＭｅＶであり、プロトンのドーズ量は、例えば２．０×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。また、アルミアブソーバーを用い、その厚さを調節して、プロトンの飛程がＦＺウェハー１６の半導体とアノード電極４との界面から５０μｍとなるようにする。図３−４において、×印は、プロトンの照射によりＦＺウェハー１６内に生じた結晶欠陥１１を表す。
【００５６】
次いで、例えば３５０℃で１時間の熱処理を窒素雰囲気で行い、結晶欠陥１１を回復させる。それによって、図３−５に示すように、ＦＺウェハー１６の半導体とアノード電極４との界面から５０μｍの深さのところを中心としてその前後に高濃度領域１２ができる。この高濃度領域１２によって、所望のブロードバッファ構造が形成される。
【００５７】
次いで、図３−６に示すように、ＦＺウェハー１６の、アノード電極４が形成された面と反対側の面から研削やウェットエッチングを行い、ＦＺウェハー１６を所定の厚さにする。１２００Ｖクラスの場合、この段階でのＦＺウェハー１６の厚さは、典型的には１００〜１６０μｍである。実施の形態１では、この段階でのＦＺウェハー１６の厚さは、例えば１２０μｍである。
【００５８】
次いで、図３−７に示すように、ＦＺウェハー１６の、研削やウェットエッチングが行われた面に対してリン（Ｐ）等のＮ型不純物をイオン注入する。その際の加速電圧は、例えば５０ｋｅＶであり、ドーズ量は、例えば１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。次いで、そのイオン注入面に対して、ＹＡＧ第２高調波レーザ等のレーザ光をダブルパルス法にて照射する。
【００５９】
ダブルパルス法によりレーザ光を照射する際のエネルギー密度は、レーザ光の照射エリアごとに、合計で例えば３Ｊ／ｃｍ2である。また、ダブルパルスの遅延時間は、例えば３００ｎｓｅｃである。このレーザ照射によって、その前にイオン注入されたリン等のＮ型不純物が電気的に活性化して、Ｎ+カソード層となる第３半導体層ができる。
【００６０】
最後に、図３−８に示すように、第３半導体層３の表面にチタン、ニッケルおよび金の順で金属を成膜し、第３半導体層３にオーミック接触するカソード電極５を形成し、半導体装置（ダイオード）が完成する。ＦＺウェハー１６の、第２半導体層２と第３半導体層３の間の部分は、第１半導体層１となる。図３−８の特性図は、図３−８に断面図を示す半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
【００６１】
このように、裏面に高濃度のリン拡散層が形成されたＦＺウェハーを用いた場合、特許文献２に開示されているように、製造プロセスにおいて、高濃度のリン拡散層が重金属等の不純物のゲッタリング層として作用する。さらに、ウェハー内に酸素を含有しているため、プロトンの照射によるキャリア移動度の低下が抑制される。
【００６２】
なお、Ｎ型のドナーを形成するために、ウェハーに照射するイオンとしては、リチウムイオンや酸素イオン等もある。しかしながら、リチウムイオンや酸素イオン等は質量がプロトンよりも重く、十分に広い飛程Ｒｐを得ることができない。したがって、ウェハーに照射するイオンとしてはプロトンが好ましい。
【００６３】
つぎに、このようにして作製した試料を、角度が５°４４′であるマウントに貼り付け、ウェハーの断面を露出するように１／２０ダイヤモンドコンパウンドを用いて研磨した。また、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ社製のＳＳＭ２０００を用いて試料の拡がり抵抗を測定した。その測定により得られた抵抗値をキャリア濃度に換算した結果を図４に示す。図４において、縦軸はキャリア濃度であり、横軸はウェハー表面（プロトン照射面）からの距離である。以下、特に断らない限り、プロトン照射面からの距離を深さとする。
【００６４】
また、図４においては、同一の試料を劈開して、おもて面から測定する試料と裏面から測定する試料を用意して測定した。得られた結果については、ブロードバッファ構造のキャリア濃度のピーク位置が重なるようにデータを重ねてプロットしている。図４に示すように、深さが５０μｍ程度の位置にキャリア濃度のピークがある。ここで、第１半導体層の、ブロードバッファ構造よりアノード側の濃度がバルク濃度よりも低いのは、この部分がプロトンの透過領域であるからである。このため、透過時に形成された転位等の格子欠陥によりキャリア移動度が低下し、抵抗値がその分下がる。したがって、アノード電極の側からＦＺウェハーにプロトンを照射し、アニール処理を行うことで、バルク濃度よりも高濃度のブロードバッファ構造を形成することができる。
【００６５】
つぎに、ＰＮ接合面からブロードバッファ構造のカソード側の端部までの間のライフタイムが一様に小さくなる理由を説明する。図５は、シリコン結晶中の炭素濃度と、ライフタイムと、表面（プロトン照射面）からの距離と、の関係について示す図である。図５においては、ｎ型ＦＺウェハーの表面から、加速電圧を７．９ＭｅＶとして、飛程Ｒｐが５０μｍとなるようにプロトンを照射し、窒素雰囲気で温度が３５０℃、１時間のアニールを行った場合の、少数キャリアのライフタイム値の分布を示す。図５において、縦軸はライフタイムであり、横軸は表面からの距離である。また、図５においては、炭素濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3から１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3までの場合について測定した。図５に示すように、シリコン結晶中の炭素濃度が高くなるに連れて、表面からの距離が５０μｍまでのライフタイムの分布が平坦に近くなる。そして、炭素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合は、表面からの距離が５０μｍまでのライフタイムの分布が一様になることがわかる。
【００６６】
また、図６は、シリコン結晶中の炭素濃度と、漏れ電流と、電圧と、の関係について示す図である。図６において、縦軸は漏れ電流であり、横軸は電圧である。図６においては、炭素濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3から１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3までの場合について測定した。図６に示すように、炭素濃度が高くなるに連れてキンク波形が収まり、炭素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合は、キンク波形にならないことがわかる。
【００６７】
ここで、結晶中の炭素は、結晶引き上げ時の製法で異なり、「超ＬＳＩプロセスデータハンドブック、（サイエンスフォーラム編、１９８２年）」によれば、ＣＺ法では溶融したシリコンを保持している、るつぼにより炭素が混入することが記載されている。一方、ＦＺ法では、るつぼを使用しないが、原料の多結晶シリコンや、近年用いられるようになったＣＺシリコン結晶に含有されている炭素が残留する。
【００６８】
ＦＺウェハーは通常、炭素濃度が１．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、ＦＴＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ：フーリエ変換赤外分光分析計）やＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析）等の分析機器の検出の下限以下の濃度しか含まれていない。その理由は、ＦＺ引き上げ法においては、純度が９９．９９９９９９９％以上の高純度多結晶シリコンから、シリコン結晶を引き上げて製造するからである。このようなシリコン結晶中の炭素濃度は、例えば特開２００６−６９８５２号公報に開示されているような方法で制御することができる。
【００６９】
なお、図５または図６においては、シリコン結晶中の炭素濃度は、放射化分析や赤外分析で検出した。また、ＳＩＭＳを用いて表面から数μｍの深さまでの炭素濃度を検出してもよい。いずれの方法においても、５．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度まで炭素濃度を検出することができる。また、図５および図６には、従来例として、シリコン結晶中の炭素濃度が１．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＦＺウェハーにプロトンを照射した従来例の半導体装置を示し、比較例として、１８０ｋＧｙのドーズ量で電子線を照射した比較例１の半導体装置を示す。なお、以下の説明においては、従来の電子線を照射した半導体装置を比較例１として示し、ヘリウムイオンを照射した半導体装置を比較例２として示すこととする。
【００７０】
ここで、前述の（１）式によれば、漏れ電流は、図５に示すライフタイムの最小値（τmin１〜τmin３）で決まる。従来例では、ライフタイムの最小値τmin１が約３０ｎｓであり、比較例１のライフタイムの最小値（約６００ｎｓ）よりも小さい。また、図６に示すように、印加電圧が５０Ｖまでは、比較例１の半導体装置と同程度の漏れ電流であり、十分に低い値を示す。そして、印加電圧が５０Ｖより大きくなると漏れ電流が急激に増加し、キンク波形となり、電圧が１００Ｖ以上の場合には、図６に示す炭素濃度が異なる他の例と比べて、最も高い漏れ電流となる。
【００７１】
このようなキンク波形になる理由は、従来例１の場合、図５に示すように、ライフタイムの最小値τmin１が、炭素濃度が異なる他の例よりも低いためである。この場合の、ライフタイム値は、ウェハーの表面近傍で約６００ｎｓ、飛程近傍で約３０ｎｓである。
【００７２】
このように、空乏層がブロードバッファ構造、すなわち飛程近傍に達したとき、飛程近傍の欠陥濃度の分布が、ウェハーの表面近傍よりも急激に高くなることで、ライフタイムが飛程近傍で最小値になる。したがって、前述の式（１）により、漏れ電流はライフタイムが小さくなるほど高くなるため、飛程近傍で漏れ電流が最も高くなる。このため、キンク波形が生じる。
【００７３】
一方、図６に示すように、炭素濃度を、２×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、８×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3と増加させることで、キンク波形がおさまり、かつ１００Ｖ以上の電圧での漏れ電流が減少し、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合には、キンク波形が完全に消える。これは、含有炭素が多いほど、プロトンの飛程近傍に局所的に集中している欠陥を、炭素原子が終端する役目をになっているためであると考えられる。
【００７４】
このため、例えば炭素濃度が６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合は、図５に示すように、ウェハーの表面近傍のライフタイム値が炭素濃度１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合よりも低くなり、飛程近傍では逆に高くなる。したがって、図６に示すように、炭素濃度が６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合、電圧が５０Ｖ以下の漏れ電流は、炭素濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合の漏れ電流よりも高くなり、電圧が５０Ｖ以上で炭素濃度が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合の漏れ電流よりも低くなる。
【００７５】
また、炭素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合は、図５に示すように、表面から飛程近傍までのライフタイムの値はほぼ一様であり、約３００ｎｓである。ここで、炭素濃度が１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の場合のライフタイム値は、従来例１の半導体装置のライフタイム値（約６００ｎｓ）と比べると、低い値である。これは、格子欠陥自体が回復しておらず、キャリアのライフタイムが十分低い値を維持していることを示している。このため、図５において示したように、照射領域の蓄積キャリア濃度が一様に低減し、その結果、十分低損失でありながら、ソフトなリカバリーを示すことができる。
【００７６】
このように、ウェハーの結晶中の炭素の濃度を調整することで、アノード側の表面からプロトンを照射したときの、プロトンの透過領域と飛程Ｒｐの近傍の領域とのライフタイム分布を概ね一様にすることができる。さらに、ライフタイム値の最小値を大きくすることで、キンク波形を抑制し、漏れ電流を抑制することができる。
【００７７】
なお、炭素原子は、シリコン中では融点（１４１４℃）での固溶度が約３．２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。一方、炭素濃度が固溶度近い１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上で、転位による漏れ電流が増加する。従って、炭素濃度は２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下、望ましくは１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下がよい。
【００７８】
また、特開２００６−３５２１０１号公報には、炭素とヘリウムを制御して局所的な欠陥と、高濃度層と、ライフタイム低減領域とを形成する方法が開示されている。しかしながら、本発明のような実際の漏れ電流と炭素濃度との関係については記載されていない。また、ライフタイムを一様にするのではなく、局所的に欠陥を集中させる方法である。よってこれらは、本発明のように照射領域の範囲で一様にライフタイムを制御する方法とは異なるものである。
【００７９】
つぎに、半値全幅について説明する。イオン照射では、イオンの質量、加速電圧および被照射体（例えばシリコン）の阻止機能に応じた飛程Ｒｐを中心に、半値全幅ＦＷＨＭ（ΔＲｐ）の幅でイオンの濃度分布が決まる。したがって、ウェハーであるシリコンが受けたダメージ（格子欠陥）は、イオンの濃度が最も高い飛程Ｒｐで最大となる。このため、図６に示したように、例えば従来例の半導体装置に逆バイアスを静的に印加した場合、空乏層が飛程Ｒｐの近傍まで到達すると漏れ電流の値が急増し、波形がキンク波形になる。
【００８０】
図７は、実施の形態１にかかる半導体装置と、比較例１の半導体装置とに、逆バイアスを印加したときの漏れ電流について示す図である。比較例１は、１８０ｋＧｙのドーズ量で電子線を照射した半導体装置である。測定温度は、室温（２５℃）である。図７においては、実施例として、実施の形態１にかかる半導体装置の漏れ電流を◆印で示す。また、比較例１の半導体装置の漏れ電流を●印で示す。
【００８１】
実施の形態１にかかる半導体装置においては、電圧が約５０Ｖのときに、空乏層が飛程Ｒｐ（深さが５０μｍの領域）に達する。したがって、本来なら、図中の破線で示すように、印加電圧が５０Ｖのときに、比較例１の半導体装置の漏れ電流値かそれよりも高い値から、漏れ電流値が急激に増加し、キンク波形となるはずである。
【００８２】
実施の形態１にかかる半導体装置においては、図７に示すように、波形がキンク波形になっていない。これは、ＰＮ接合面の近傍のライフタイムが十分小さく、かつほぼ一定であるためである。
【００８３】
すなわち、実施の形態１にかかる半導体装置においては、プロトンを照射した後の熱処理で、水素に起因するドナーが消滅せず、かつ結合に寄与しないため、キャリアの発生や再結合のもととなる欠陥（ダングリングボンド等の点欠陥、およびその連続体である転位）が十分に残っている状態であることがわかる。さらに、従来の半導体装置とは異なり、ＰＮ接合面からブロードバッファ構造のカソード側の端部までの間のライフタイムが一様に小さいため、第１半導体層の深さが浅い領域のキャリア濃度が一様に小さくなる。これにより、ソフトリカバリーとなる。
【００８４】
つぎに、ブロードバッファ構造の幅について説明する。ブロードバッファ構造の幅は、プロトンの半値全幅ＦＷＨＭ（ΔＲｐ）であり、５μｍ以上とするのが良い。その理由は
、プロトンの照射面からプロトンがそれ以上入らない箇所Ｘ１（図１参照）までのライフタイムを概ね一様とするためである。プロトンを照射する際のドーズ量が高い場合、飛程Ｒｐの近傍のライフタイムが、欠陥濃度の影響を受けて低下する。このライフタイム値の最小値τminを、プロトンのＦＷＨＭ（ΔＲｐ）を５μｍ以上とすることで、照射領域の
平均的なライフタイムτB（図１参照）の１／１０以下にすることができる。これによって、飛程Ｒｐの近傍のみ局所的にライフタイムが下がることがなく、照射領域（ウェハー表面から位置Ｘ１までの領域）全体のライフタイムを平均的に低減することができる。
【００８５】
つぎに、プロトンのドーズ量について説明する。図８は、プロトンのドーズ量と、耐圧と、の関係を示した図である。図８において、縦軸は耐圧であり、横軸はプロトンのドーズ量である。また、図８においては、実施の形態１にかかる半導体装置のプロトンのドーズ量と、耐圧と、を◆印（実施例１）で表し、実施の形態１よりもＮ-層の厚さが２０μｍ程度厚い半導体装置（Ｎ-層の厚さが１４０μｍの半導体装置）のプロトンのドーズ量と、耐圧と、を□印（実施例２）で表す。なお、縦軸に記した△印は、比抵抗が５０Ωｃｍの比較例１の半導体装置の耐圧を示す。
【００８６】
図８においては、プロトンのドーズ量が１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2から５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2までの場合について測定した。図８に示すように、実施の形態１にかかる半導体装置の耐圧は、プロトンのドーズ量が５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合、１０５０Ｖであり、定格電圧（１２００Ｖ）より低い。しかしながら、Ｎ-層の厚さが１４０μｍの半導体装置の耐圧は、プロトンのドーズ量が１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合と２×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合とから、直線を引いて類推すると、プロトンのドーズ量が５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合、ほぼ定格電圧（１２００Ｖ）と同等となる。したがって、プロトンのドーズ量は、５×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2より低いことが好ましい。
【００８７】
つぎに、逆回復ピーク電流について説明する。図９は、逆回復電流と、プロトンのドーズ量との関係について示す図である。図９において、縦軸は逆回復電流であり、横軸はプロトンのドーズ量である。また、図９においては、実施の形態１にかかる半導体装置のプロトンのドーズ量と、逆回復電流との関係を◆印（実施例１）で表し、Ｎ-層の厚さが１４０μｍの半導体装置のプロトンのドーズ量と、逆回復電流との関係を□印（実施例２）で表す。また、縦軸に記した△印は、比抵抗が５０Ωｃｍの比較例１の半導体装置の耐圧を示す。
【００８８】
図９に示すように、プロトンのドーズ量が多い程、逆回復電流が小さくなる。また、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2でほぼ比較例１の半導体装置と一致している。したがって、プロトンのドーズ量が、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上、好ましくは１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上の場合、従来より逆回復電流の小さい波形を得ることができる。
【００８９】
図５および図６に示したように、漏れ電流は、ライフタイム値の分布で決まる。さらに、導通時のキャリア濃度も、ライフタイム値の分布に依存する。したがって、例えばプロトンの照射や熱処理の条件が異なっていても、漏れ電流が同一の場合、ウェハーの表面から位置Ｘ１までの区間において、ライフタイム値が平均的に同じであることを示す。
【００９０】
図１０は、漏れ電流と、アニール温度との関係について示す図である。図１０においては、縦軸は漏れ電流であり、横軸はアニール温度である。また、図１０においては、６００Ｖの逆バイアス電圧を印加したときの漏れ電流を、プロトンのドーズ量が１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2〜１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合について測定した。また、他に比較例として、従来の電子線を照射した半導体装置を比較例１（図中●印）として示し、ヘリウムイオンを照射した半導体装置を比較例２（図中○印）として示す。比較例１は、電子線を、加速電圧を４．８ＭｅＶとして、１８０ｋＧｙのドーズ量で照射した。比較例２は、ヘリウムイオン（Ｈｅ2+）を、加速電圧を２４ＭｅＶとして、１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2のドーズ量でイオン注入し、アルミアブソーバーによって飛程を５０μｍに調整した
【００９１】
いずれの場合も、アニール温度が３００℃までは、漏れ電流がほぼ一定の値を示している。そして、アニール温度が３５０℃から４００℃までの間は漏れ電流が減少し、アニール温度が４５０℃で、照射無しの場合（図中▽印）の値にほぼ収束する。すなわち、プロトンのドナー化が生じる範囲で、照射無しの場合よりも漏れ電流が高くなっていれば、ブロードバッファ構造が形成されるのと同時に、照射部分のライフタイムが低減されていることになる。したがって、図１０に示すように、アニール温度が３００℃以下の場合、漏れ電流の値がアニール温度に依存しないため、ライフタイムがドーズ量のみに依存することとなる。
【００９２】
一方、電気的に活性化した水素ドナーの各プロトンのドーズ量における積分濃度ＮＩの、アニール温度の依存性を図１１に示す。この水素ドナーの積分濃度ＮＩは、特許文献２または特許文献３において開示されているように、ブロードバッファダイオードの耐圧と、逆回復時に拡張する空間電荷領域のピン止め効果と、に影響を与える。したがって、積分濃度ＮＩは、２×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下であることが望ましい。
【００９３】
図１１に示すように、ドナー積分濃度ＮＩは、各ドーズ量においても、アニール温度が３００℃以下の場合ほぼ一定の値である。従って、アニール温度が３００℃以下であることが望ましい。
【００９４】
図１２は、図１１のデータをドーズ量依存性に変換したグラフを示す。ドナー積分濃度ＮＩの範囲は、ブロードバッファ構造の積分濃度範囲であり、２×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2から５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2程度がよい。ドナー積分濃度ＮＩがこの範囲となるような条件で、最も低いドーズ量となるのは、図１２から、熱処理温度が３００℃および３５０℃であることがわかる。したがって、熱処理温度が３００℃および３５０℃の場合、最も効果的に、ブロードバッファ構造と低ライフタイム領域を同時に形成することができる。
【００９５】
つぎに、プロトンの飛程Ｒｐについて説明する。特許文献２または特許文献３に記載されているように、プロトンの飛程Ｒｐは、ブロードバッファ構造のピーク位置と一致することが望ましい。その理由は、ダイオードが定格電流密度ＪFを、定格電圧の５割から７割くらいのＤＣバス電圧ＶDCで逆回復する場合、ダイオードのカソード−アノード間電圧ＶｋａがＶDCに一致するときに拡がっている空間電荷領域の幅Ｄが、ほぼ式（２）に従うためである。ただし、素子耐圧をＢＶ、真空の誘電率をε0、シリコンの比誘電率をεs、電荷素量をｑ、素子の定格電流密度をＪF、キャリアの飽和速度をＶsat、Ｎ-ドリフト層の平均濃度をＮdmとする。
【００９６】
【数２】
0005374883.tif 000003
【００９７】
ブロードバッファ構造のピーク位置が幅Ｄの場合、それより深い領域への空間電荷領域の拡張を防ぐことができる。そのため、残りの蓄積キャリアが空間電荷領域に掃出されずに残留するため、蓄積キャリアの枯渇を抑制する。したがって、スナッピーなリカバリーを抑制することができる。実際には、飛程Ｒｐの位置が、幅Ｄの０．５〜１．６倍程度であれば良い。
【００９８】
実施の形態１によれば、アノード側の表面からプロトンを照射したときの、プロトンの透過領域と飛程Ｒｐの近傍の領域とのライフタイム分布を概ね一様にすることができる。これによって、ライフタイム値の最小値が大きくなるため、キンク波形を抑制し、漏れ電流を抑制することができる。
【００９９】
つぎに、実施の形態１にかかる半導体装置（実施例）と、従来の電子線を照射した半導体装置（比較例１）およびヘリウムイオンを照射した半導体装置（比較例２）と、について、ネットドーピング濃度、少数キャリアのライフタイム分布または蓄積キャリアの濃度分布を示す。なお、以下に記載する各イオンの照射による飛程Ｒｐ、ＦＷＨＭ（半値全幅：ΔＲｐ）は、ＳＲＩＭ２００６（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｒｉｍ．ｏｒｇ／ｉｎｄｅ
ｘ．ｈｔｍ）を用いて計算した値を基にしている。また、各半導体装置の電流密度における順電圧の降下が、１．７０Ｖとなるようにライフタイムを調整している。
【０１００】
図１３は、実施例の半導体装置と、比較例１の半導体装置との、ネットドーピング濃度を示す図である。図１３において、縦軸はネットドーピング濃度であり、横軸はウェハ表面（プロトン照射面）からの距離である。また、図１３においては、実施例の半導体装置のネットドーピング濃度を実線で示し、比較例１の半導体装置のネットドーピング濃度を破線で示す。
【０１０１】
図１３に示すように、実施例の半導体装置のネットドーピング濃度は、ピン止め効果を奏するように深さが５０μｍの位置でピークを示しているのに対して、比較例１の半導体装置のネットドーピング濃度はほとんど変化しない。その理由は、電子線の照射またはヘリウムイオンの照射によっては、ドナー化がほとんど生じないためである。したがって、比較例１の半導体装置では、深さが約５μｍ以上１２０μｍ以下の領域（第１半導体層）のネットドーピング濃度は、バルク濃度（９．１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、比抵抗：５０Ωｃｍ）と同程度となる。
【０１０２】
図１４は、実施例の半導体装置と、比較例１および比較例２の半導体装置との、少数キャリア（ホール）のライフタイム分布を示す図である。図１４において、縦軸はライフタイムであり、横軸はウェハ表面（プロトン照射面）からの距離である。また、図１５は、実施例の半導体装置と、比較例１および比較例２の半導体装置との、導通時のキャリア（ホール）濃度を示す図である。図１５において、縦軸はキャリア濃度であり、横軸はウェハ表面（プロトン照射面）からの距離である。
【０１０３】
図１５においては、順方向に電流密度２００Ａ／ｃｍ2の電流を流したときのキャリア濃度をデバイスシミュレーションにより算出した。デバイスシミュレーションには、ＩＳＥ社のＩＳＥ−ＴＣＡＤ  Ｒ１０．０、Ｄｅｓｓｉｓを用いた。また、図１４または図１５においては、実施例の半導体装置のライフタイム分布またはキャリア濃度を実線で示す。また、比較例１の半導体装置のライフタイム分布またはキャリア濃度を破線で示す。また、比較例２の半導体装置のライフタイム分布またはキャリア濃度を一点鎖線で示す。
【０１０４】
実施例の半導体装置においては、図１５に示すように、導通時のキャリア濃度は、深さが約５０μｍで最小値となり、そこから急激に増加したあと、単位距離あたりの増加率を減少しながら、さらに増加する。その理由は、深さが約７０μｍより深い領域がノンキラー領域であり、ライフタイムが高いためである。この領域のライフタイムは、図１４に示すように、２０μｓ以上であり、このときのキャリアの拡散の長さは１００μｍを超える。したがって、ウェハーに注入された電子の濃度が再結合によってほとんど減少しないため、図１５に示すようなキャリア濃度の分布が得られる。
【０１０５】
一方、比較例１の半導体装置においては、深さが約７０μｍより深い領域では、導通時のキャリア濃度が、実施例の半導体装置のキャリア濃度の３０％以下という小さい値となる。さらに、深さが５０μｍまでの導通時のキャリア濃度は、実施例の半導体装置の導通時のキャリア濃度よりも大きい。その理由は、電子線の照射により第１半導体層に欠陥が導入されることで、ライフタイムが一様に小さくなるためである。比較例１の半導体装置のライフタイムの値は、図１４に示すように、およそ１μｓ以下であり、このときのキャリアの拡散の長さは１０μｍ程度である。したがって、ウェハーの裏面から注入された電子の濃度が大きく減衰して、第１半導体層の深さが約７０μｍより深い領域のキャリア濃度が、実施例の半導体装置よりも３０％程度小さくなる。このため、空間電荷領域の拡張を抑制できない可能性がある。
【０１０６】
また、比較例２の半導体装置においては、ヘリウムイオンの照射による格子欠陥のピーク値が、第１半導体層内の、第２半導体層との界面近傍になることが公知である。その理由は、この位置に飛程が来る様な条件でヘリウムイオンを照射すれば、順電圧の降下を１．７０Ｖ程度にできるからである。具体的には、サイクロトロンの加速電圧を例えば２４ＭｅＶとしてヘリウムイオンを照射する。このとき、ヘリウムイオンの飛程は３１６μｍ程度となる。また、シリコンと同じ阻止機能のアルミニウムアブソーバを用い、その厚さを３０１μｍにすることで、ウェハー表面に設けられた、例えば厚さが５μｍのアルミニウム電極の表面から約１０μｍの深さに、ヘリウム原子を局在させることができる。したがって、電流の導通時には、図１５に示すようなキャリア濃度の分布が得られる。
【０１０７】
また、比較例２の半導体装置においては、実施例の半導体装置と、順電圧の降下が同じ値であるにもかかわらず、図１５に示すように、実施の形態１にかかる半導体装置に比べて全体的にキャリア濃度が大きくなっている。さらに、比較例２の半導体装置では、深さが１０μｍ程度の領域においてキャリア濃度が最小値となり、その値は実施例および比較例１の半導体装置よりも１桁小さく、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度である。これは、深さが１０μｍ程度の領域で、極端に小さく、かつ幅の狭いライフタイム低減を行っているからである。このキャリア濃度の分布が、後述するように逆回復特性の波形に大きな相違をもたらす。
【０１０８】
図１６に示した逆回復特性の波形は、定格電流密度が２００Ａ／ｃｍ2の順方向の電流に対して、図１７に示すスナバレス回路１３０にてＩＧＢＴをターンオンした場合のダイオードの逆回復特性の波形である。スナバレス回路１３０は、単相のチョッパー回路であり、Ｄ．Ｕ．Ｔに直列に実施例のダイオードを配置している。スナバレス回路１３０の主回路の負荷インダクタンスＬｍは１ｍＨ、主回路の回路浮遊インダクタンスＬｓは２７０ｎＨである。また、ゲート駆動電圧は±１５Ｖであり、ＤＣバス電圧値は８００Ｖである。また、順方向の転流時の電流減少率は約４０００Ａ／ｃｍ2である。
【０１０９】
図１６において、縦軸の左軸は電流密度、縦軸の右軸はカソード−アノード間電圧であり、横軸は時間である。また、図１６においては、実施例の半導体装置の電流密度またはカソード−アノード間電圧を実線で示す。また、比較例１の半導体装置の電流密度またはカソード−アノード間電圧を破線で示す。また、比較例２の半導体装置の電流密度またはカソード−アノード間電圧を一点鎖線で示す。
【０１１０】
図１６に示すように、逆回復後の電流密度の減少率は実施例の半導体装置が最も小さく、次に比較例１の半導体装置が小さい。また、比較例２の半導体装置の、逆回復後の電流密度の減少率は、実施例および比較例１の半導体装置よりもはるかに大きい。それに対応した逆回復におけるサージ電圧（カソード−アノード間電圧）は、実施例の半導体装置が最も小さく約１００Ｖであり、次に比較例１の半導体装置が小さく、比較例２の半導体装置が最も大きい。
【０１１１】
特に、比較例２の半導体装置は、カソード−アノード間電圧の変化率が、０．２μｓ以降で小さくなり、逆回復電荷（順電流を流しているときに半導体装置の内部に蓄積された電荷）が実施例および比較例１の半導体装置の３倍以上大きくなる。その理由は、図１５に示すように、比較例２の半導体装置のキャリア濃度が大きいためである。
【０１１２】
ここで、逆回復が進み、ダイオードの電圧がＤＣバス電圧値程度となったときに、素子内部に広がる空間電荷領域（電界強度が高い領域）の幅は、ＰＮ接合面からブロードバッファ構造において不純物濃度が最大となる位置まで、すなわちＰＮ接合面から約５０μｍの距離までである。なお、空間電荷領域にあるキャリアは、逆回復時に掃出されなければならない。したがって、空間電荷領域のキャリア濃度の積分量で、逆回復時の電流値が決まる。
【０１１３】
図１５に示すように、実施例および比較例１の半導体装置は、空間電荷領域のキャリア濃度の積分量がほぼ同じである。一方、比較例２の半導体装置の空間電荷領域のキャリア濃度の積分量は、実施例および比較例１の半導体装置より、図中に斜線を記した部分だけ大きくなり、およそ４倍である。したがって、逆回復時の電流密度および逆回復電荷が増加する。また、このようなホールの増加が、逆回復中の空間電荷領域の電界強度を増加させて、スイッチング中のなだれ降伏、すなわちダイナミックアバランシェ現象を引き起こす。アバランシェ現象が発生すると、それ以上電界強度が増加しないため、空間電荷領域で保持できる電圧が増加しなくなり、電圧変化率が減少する。このため、比較例２の半導体装置では、逆回復時間が小さく（速く）、かつソフトリカバリーなスイッチング動作をおこなうことが困難である。
【０１１４】
つぎに、実施例の半導体装置と、比較例１の半導体装置とについて、実際に測定した波形を図１８に示す。図１８においては、定格電流密度が２００Ａ／ｃｍ2の順電流を、シミュレーションと同様の回路（図１７）に流し、６００ＶのＤＣバス電圧で逆回復させたときの波形である。図１８においては、実施例の半導体装置の電流密度またはカソード−アノード間電圧を実線で示す。また、比較例１の半導体装置の電流密度またはカソード−アノード間電圧を破線で示す。
【０１１５】
比較例１の半導体装置においては、１２０ｋＧｙのドーズ量で電子線を照射した。また、実施例の半導体装置と同様に、３５０℃の温度で、６０分の熱処理をおこなった。なお、スイッチングＩＧＢＴは、標準的な１２００Ｖ／１５０Ａのフィールドストップ型ＩＧＢＴ（富士電機デバイステクノロジー社製：ＵシリーズＩＧＢＴ）である。そのゲート抵抗は、オン側（外付け）で０Ωであり、オフ側で３９Ωである。
【０１１６】
図１８に示すように、実際に測定した値でも、シミュレーション（図１６）と同じ傾向が再現できている。したがって、実施例の半導体装置は、比較例１の半導体装置よりも、逆回復時の電流が小さい。このため、ソフトリカバリーであり、かつ逆回復時間が速いことが分かる。また、実施例の半導体装置は、比較例１の半導体装置よりも、逆回復時のサージ電圧が１３０Ｖ程度小さい。
【０１１７】
さらに、図１８に示す各半導体装置に定格電流の約１／１０（例えば２０Ａ／ｃｍ2）の微小電流を流して、８００ＶのＤＣバス電圧で逆回復させた波形を図１９に示す。特許文献２に開示されているように、微小電流の場合、定格電流の場合よりも蓄積キャリア濃度が小さいため、発振しやすくなる。したがって、図１９に示すように、比較例１の半導体装置においては、発振しており、サージ電圧が１６００Ｖ程度である。これに対して、実施例の半導体装置においては発振が抑制される。さらに、サージ電圧が比較例１より小さく、９００Ｖ程度である。
【０１１８】
したがって、実施の形態１にかかる半導体装置によれば、比較例１または比較例２の半導体装置よりも、逆回復時間が速く、かつソフトリカバリーなスイッチング動作をおこなうことができる。
【０１１９】
（実施の形態２）
図２０は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびライフタイム分布を示す図である。図２０において半導体装置の断面図２００に示すように、実施の形態２にかかる半導体装置は、Ｎ++カソード層である第３半導体層３と、Ｎ-ドリフト層である第１半導体層１との間に、バルク濃度より高濃度で、第３半導体層３よりも低濃度の、Ｎ+カソードストッパ層である第４半導体層３１が設けられている。
【０１２０】
第４半導体層３１は、深さが５〜２０μｍで空乏層が止まるようにするための高濃度ストッパ層である。ウェハーの裏面には、研削において発生する荒れ、パーティクル等、種々の欠陥が発生する。第４半導体層３１によって、逆バイアス時に広がる空乏層がウェハーの裏面の欠陥に到達して漏れ電流が大きくなることを防ぐことができる。このように、第４半導体層３１を設けることで、ウェハーカット前のチップ電気測定における漏れ電流の不良率を、５％未満に抑えることが可能となる。
【０１２１】
また、図２０においてアノード電極からの距離−ネットドーピング濃度（ｌｏｇ）の特性図２１０に示すように、第４半導体層３１のネットドーピング濃度は、第４半導体層３１の第１半導体層１との界面近傍にピークを有し、第１半導体層１および第３半導体層３に向かって、傾きをもって減少している。
【０１２２】
さらに、図２０においてアノード電極からの距離−ライフタイム分布の特性図２２０に示すように、第４半導体層３１のライフタイムはバルクの初期の大きい値（２０μｓ以上）と同程度である。その理由は、第４半導体層３１を形成する際に、ウェハーの裏面から、プロトンを、加速電圧を１ＭｅＶとして、１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上のドーズ量でイオン注入するため、プロトンの照射領域のライフタイムがバルクの初期の大きい値（２０μｓ以上）と同程度となる。
【０１２３】
ダイオードの逆回復をソフトリカバリーにするには、図１５で記載した様に、カソード側のキャリア濃度を高くしなければならない。このため、ライフタイムは長めにしておくのがよい。しかしながら、プロトンの照射によって第４半導体層３１を形成する際に、プロトンの照射領域がライフタイムの低い領域となる。このライフタイムの低い領域では、逆回復時に蓄積キャリアの枯渇が起こり、スナッピーなリカバリーとなり、発振してしまう。したがって、ライフタイムの低い領域は、プロトン照射後に十分大きい値に回復されなければならない。プロトンを照射した領域のライフタイムを回復させるためには、漏れ電流が十分低い値の条件で照射および熱処理（アニール温度：４５０℃以上）を行えばよい。ここで、上述したようにブロードバッファ構造の熱処理温度は３５０℃以下が望ましいため、ブロードバッファ構造を形成する前に第４半導体層３１を形成する必要がある。
【０１２４】
しかしながら、第４半導体層３１をブロードバッファ構造より前に形成する場合、ウェハーの裏面の研削をする前に、高い加速電圧でウェハーの裏面からプロトンを照射しなければならないという問題がある。例えば径が６インチのシリコンウェハーの場合、ウェハーにそりが発生しないように、ウェハーの初期厚を５００μｍの厚さにして、表面構造（Ｐアノード層、酸化膜、コンタクト形成、アルミ電極形成）を形成する。次いで、第４半導体層３１を形成するために、ウェハーの裏面からプロトンを照射するが、例えばウェハーの表面から１１０μｍの位置に飛程が来るようにするためには、ウェハーの裏面からの飛程が３９０μｍ程度必要となる。このために、アブソーバー無しで、加速電圧を７ＭｅＶ以上として、プロトンを照射しなければならない。この場合、ＦＷＨＭは２０μｍ以上となり、第４半導体層３１は飛程からさらに１０μｍ程度アノード側に位置することになる。したがって、合計すると２０μｍのバッファ層が必要となり、その分無駄な距離が多くなり、導通損失が増えてしまう。これは、例えば飛程を表面から１２０μｍの位置に形成する場合でも、同様であり、第４半導体層３１が１０μｍ程度長くなってしまう。
【０１２５】
また、ウェハーの裏面を研削した後に第４半導体層３１を形成する場合、薄いウェハーの状態で作業をおこなう工程が増えるという問題がある。ウェハーの裏面を研削した後のウェハーの厚さは、１２００Ｖクラスでは１２０〜１５０μｍ程度、６００Ｖクラスなら５０〜８０μｍであり、非常に薄い。この状態で、さらにブロードバッファ構造の形成（ウェハーの表面からのプロトン照射と温度が３５０℃以下の熱処理）、第３半導体層３の形成（ウェハーの裏面からのリンや砒素のイオン注入とそのアニール）、ポリイミド等の膜によるエッジ構造のパシベーション膜の形成、ウェハーの裏面の電極の形成を行わなければならない。特に、パシベーション膜の形成を行う場合、薄いウェハーをさまざまな装置に搬送しなければならず、そのときに、ウェハーのわれや欠けが高い確率で発生する。したがって、プロトンによるブロードバッファ構造の形成を、裏面の研削の前に行う必要がある。
【０１２６】
これらの問題を解決するため、実施の形態２においては、下記の方法で半導体装置を製造する。図２１−１〜図２１−３は、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について示す図である。まず、実施の形態１と同様に、図２−１に示すように、標準的なダイオードのプロセス工程によって、Ｐアノード層となる第２半導体層２、図示しないガードリングエッジ構造、絶縁膜６およびアノード電極４を形成し、次いで、図示しないパシベーション膜を形成する。
【０１２７】
次いで、図２−２に示すように、アノード電極４の側からＦＺウェハー１０に、プロトンを照射する。その際、加速電圧は、例えば７．９ＭｅＶであり、プロトンのドーズ量は、例えば３．０×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。また、プロトンの飛程がＦＺウェハー１０の半導体とアノード電極４との界面から５０μｍとなるようにする。
【０１２８】
そして例えば３５０℃で１時間の熱処理を行い、結晶欠陥１１を回復させる。それによって、図２−３に示すように、ＦＺウェハー１０の半導体とアノード電極４との界面から５０μｍの深さのところを中心としてその前後に高濃度領域１２ができる。この高濃度領域１２によって、所望のブロードバッファ構造が形成される。次いで、図２−４に示すように、ウェハーの裏面を研削し、ウェットエッチングを行って、５００μｍ程度であったウェハーの厚さを例えば１２０μｍの厚さにする。
【０１２９】
次いで、図２１−１に示すように、ＦＺウェハー１０のカソード側の面からＦＺウェハー１０に、プロトンを照射する。その際、加速電圧は、例えば７００ｋｅＶであり、プロトンのドーズ量は、例えば１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。このとき、プロトンの飛程がＦＺウェハー１０のカソード側の面（プロトンの照射面）から１０μｍとなるようにする。図２１−１において、×印は、プロトンの照射によりＦＺウェハー１０内に生じた結晶欠陥１１を表す。
【０１３０】
次いで、図２１−２に示すように、ＦＺウェハー１０のカソード側の面（プロトンの照射面）に、リンをイオン注入する。その際、加速電圧は、例えば５０ｋｅＶであり、リンのドーズ量は、例えば１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。そして、ＦＺウェハー１０のカソード側から、ＹＡＧ２ωレーザーをダブルパルス法（遅延時間３００ｎｓ）によって照射する。このＹＡＧ２ωレーザーの照射によって、プロトンとリンとが同時にアニールされることとなる。ＹＡＧ２ωレーザーをこのように照射すると、ＦＺウェハー１０のカソード側の面（プロトンおよびリンの照射面）から１μｍ以下の領域に注入されたリンが、１μｓの間、１４００℃以上の温度で溶融する。このため注入ダメージが回復し、リンが電気的に活性化する。これによって、第３半導体層３が形成される。
【０１３１】
また、プロトンおよびリンの照射面から１０μｍの深さでは、１μｓ程度の時間で約１０５０℃の温度まで熱せられる。この場合、温度はプロトンがドナー化する４００℃程度よりもはるかに高いが、時間が極めて短いため、４００℃の温度で、１時間のアニールをおこなった場合と同様の効果が生じる。したがって、プロトンがドナー化して、ライフタイムが十分長い２０μｓ程度まで回復する。これによって、第４半導体層３１が形成される。
【０１３２】
最後に、図２１−３に示すように、第３半導体層３にオーミック接触するカソード電極５を形成し、半導体装置（ダイオード）が完成する。ＦＺウェハー１０の、第２半導体層２と第４半導体層３１の間の部分は、第１半導体層１となる。図２１−３の特性図は、図２１−３に断面図を示す半導体装置に対応するネットドーピング濃度のプロファイルである。
【０１３３】
実施の形態２によれば、ウェハーの裏面を薄く研削する前にブロードバッファ構造を形成することができる。さらに、第４半導体層３１を薄く形成することができるため、損失の増加を抑制することができる。
【０１３４】
なお、第４半導体層３１は、プロトンのＦＷＨＭをおよそ１μｍ以下として形成することが望ましい。その理由は、第４半導体層３１を薄く形成することで、無駄な距離を少なくして、導通損失の増加を抑制するためである。この場合、プロトンを、加速電圧を約１ＭｅＶとして照射する。
【０１３５】
また、第４半導体層３１の深さ、すなわちプロトンの飛程Ｒｐは、３μｍ以上とするのがよい。その理由は、ウェハーの裏面の特性に影響を与えないようにするためである。具体的には、数種類の仕上がり厚さのダイオードを用意して漏れ電流不良率を調べた結果、ダイオードに逆バイアスの電圧を１２００Ｖ印加した時に、空乏層端がウェハーの裏面から３μｍ以内の場合は不良率が３０％以上と高いが、空乏層端がウェハーの裏面から３μｍ以上の場合は、不良率が５％以下と激減したからである。
【０１３６】
ここで、プロトンの飛程が３μｍとなる加速電圧は３００ｋｅＶであるから、第４半導体層３１を形成する際の加速電圧は３００ｋｅＶ以上１ＭｅＶ以下が好ましい。これによって、プロトンの飛程が３μｍ以上１０μｍ以下となり、ＦＷＨＭが０．２μｍ以上０．５μｍ以下となる。なお、インバータ等の実機動作において、ダイオードの導通損失の増加が許容できる場合、第４半導体層３１の幅を１０μｍより厚くしてもよい。この場合、加速電圧は７００ｋｅＶ以上でもよい。
【０１３７】
また、アニールを行うレーザ光は、ＹＶＯ4２ωまたはＹＬＦ２ωのいずれかの全固体レーザ、エキシマレーザやＨｅ−Ｎｅレーザなどの気体レーザ、ＧａＮ系半導体レーザ、ＡｌxＧａ1-xＡｓやＩｎxＧａ1-xＡｓなどのＧａを含む半導体レーザ、ルビーレーザでもよく、さらに上記のレーザ光を複数種類組み合わせて照射してもよい。
【０１３８】
したがって、実施の形態２にかかる半導体装置によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１３９】
なお、本発明は、ダイオードに限らず、通常の縦型のＩＧＢＴや逆阻止ＩＧＢＴに適用することもできる。本発明を適用したＩＧＢＴ等では、低損失で、かつ発振を抑えたターンオフを実現できる。特に、逆阻止ＩＧＢＴを作製する際には、ＦＺバルクウェハーを用い、そのおもて面にゲート構造やエミッタ構造やエッジ構造を作製する。次いで、電子線を１００ｋＧｙ以下のドーズ量で照射した後に、ウェハー全体の最終的な厚さが１００μｍ前後になるようにウェハーの裏面を研削および研磨し、研削による露出面に対してボロンのイオン注入とレーザ照射によるボロンの活性化をおこなう。
【０１４０】
一方、ターンオフ時には、ウェハーのおもて面側から空乏層が広がり、キャリアが消滅していくが、キャリアの急激な消滅を抑えることができるので、発振のないスムーズなターンオフが可能となる。したがって、低損失でソフトリカバリーなダイオードや、発振のないスムーズなターンオフが可能なＩＧＢＴを作製することができる。また、そのような特性を有するＩＧＢＴモジュールを用いたＰＷＭインバータ等の電力変換装置において、過電圧破壊やＥＭＩノイズの発生を抑えることができる。
【０１４１】
図２２−１から図２２−４は、実施の形態１または２のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。図２２−１および図２２−２に示すコンバーター−インバータ回路は、効率良く誘導電動機やサーボモータ等を制御することが可能で、産業や電気鉄道等で広く用いられる。図２２−１は、コンバーター部にダイオードを適用した例であり、図２２−２は、コンバーター部にＩＧＢＴを適用した例である。インバータ部にはいずれもＩＧＢＴを適用し、これらのＩＧＢＴには、ＦＷＤ（フリーホイリングダイオード）が並列接続されている。
【０１４２】
また、図２２−３に示す力率改善回路（ＰＦＣ回路）は、ＡＣ−ＡＣ変換の入力電流を正弦波状に制御して波形改善をはかる回路であり、スイッチング電源用に用いられる。図２２−４に示す回路図は、マトリックスコンバーター回路の全体図であり、マトリックスコンバーター回路のスイッチング部の構成を示す図である。マトリックスコンバーターとは、双方向の電流遮断が可能なスイッチング素子を用い、直流平滑回路を用いずに直接変換する方式である。
【０１４３】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や濃度、電圧値や電流値、温度や時間等の処理条件などの種々の値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。
【０１４４】
さらに、本発明は、１２００Ｖクラスに限らず、６００Ｖや１７００Ｖ、あるいはそれ以上の耐圧クラスでも同様に適用可能である。例えば、１７００Ｖクラスである場合には、ウェハーの比抵抗は８０〜２００Ωｃｍであり、ウェハーの最終厚さが１２０〜２００μｍである。３３００Ｖクラスの場合には、ウェハーの比抵抗は２００〜５００Ωｃｍであり、ウェハーの最終厚さが２５０〜４００μｍである。
【０１４５】
以上説明したように、半導体装置およびその製造方法によれば、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、さらに、漏れ電流のキンク波形を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、電力用半導体装置に有用であり、特に、高速かつ低損失であるとともに、ソフトリカバリー特性を備え、環境問題を考慮したダイオードまたはＩＧＢＴに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびライフタイム分布を示す図である。
【図２−１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図２−２】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図２−３】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図２−４】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図２−５】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図２−６】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図３−１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−２】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−３】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−４】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−５】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−６】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−７】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図３−８】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の別の製造プロセスを示す図である。
【図４】キャリア濃度と、表面（プロトン照射面）からの距離と、の関係について示す図である。
【図５】シリコン結晶中の炭素濃度と、ライフタイムと、表面（プロトン照射面）からの距離と、の関係について示す図である。
【図６】シリコン結晶中の炭素濃度と、漏れ電流と、電圧と、の関係について示す図である。
【図７】実施例の半導体装置と、比較例１の半導体装置とに、逆バイアスを印加したときの漏れ電流について示す図である。
【図８】プロトンのドーズ量と、耐圧と、の関係を示した図である。
【図９】逆回復電流と、プロトンのドーズ量との関係について示す図である。
【図１０】漏れ電流と、アニール温度との関係について示す図である。
【図１１】積分濃度ＮＩの、アニール温度の依存性を示す図である。
【図１２】図１１のデータをドーズ量依存性に変換したグラフを示す図である。
【図１３】実施例の半導体装置と、比較例１の半導体装置との、ネットドーピング濃度を示す図である。
【図１４】実施例の半導体装置と、比較例１および比較例２の半導体装置との、少数キャリア（ホール）のライフタイム分布を示す図である。
【図１５】実施例の半導体装置と、比較例１および比較例２の半導体装置との、導通時のキャリア（ホール）濃度を示す図である。
【図１６】ダイオードの逆回復特性の波形を示す図である。
【図１７】スナバレス回路について示す図である。
【図１８】実施例の半導体装置と、比較例１の半導体装置とについて、実際に測定した波形を示す図である。
【図１９】微小電流を流した場合の、実施例の半導体装置と、比較例１の半導体装置とについて、実際に測定した波形を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度およびライフタイム分布を示す図である。
【図２１−１】実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について示す図である。
【図２１−２】実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について示す図である。
【図２１−３】実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について示す図である。
【図２２−１】本発明のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。
【図２２−２】本発明のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。
【図２２−３】本発明のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。
【図２２−４】本発明のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。
【符号の説明】
【０１４８】
１  第１半導体層
２  第２半導体層
３  第３半導体層
４  アノード電極
５  カソード電極
【図１】
0005374883.tif 000004
【図２−１】
0005374883.tif 000005
【図２−２】
0005374883.tif 000006
【図２−３】
0005374883.tif 000007
【図２−４】
0005374883.tif 000008
【図２−５】
0005374883.tif 000009
【図２−６】
0005374883.tif 000010
【図３−１】
0005374883.tif 000011
【図３−２】
0005374883.tif 000012
【図３−３】
0005374883.tif 000013
【図３−４】
0005374883.tif 000014
【図３−５】
0005374883.tif 000015
【図３−６】
0005374883.tif 000016
【図３−７】
0005374883.tif 000017
【図３−８】
0005374883.tif 000018
【図４】
0005374883.tif 000019
【図５】
0005374883.tif 000020
【図６】
0005374883.tif 000021
【図７】
0005374883.tif 000022
【図８】
0005374883.tif 000023
【図９】
0005374883.tif 000024
【図１０】
0005374883.tif 000025
【図１１】
0005374883.tif 000026
【図１２】
0005374883.tif 000027
【図１３】
0005374883.tif 000028
【図１４】
0005374883.tif 000029
【図１５】
0005374883.tif 000030
【図１６】
0005374883.tif 000031
【図１７】
0005374883.tif 000032
【図１８】
0005374883.tif 000033
【図１９】
0005374883.tif 000034
【図２０】
0005374883.tif 000035
【図２１−１】
0005374883.tif 000036
【図２１−２】
0005374883.tif 000037
【図２１−３】
0005374883.tif 000038
【図２２−１】
0005374883.tif 000039
【図２２−２】
0005374883.tif 000040
【図２２−３】
0005374883.tif 000041
【図２２−４】
0005374883.tif 000042