(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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半導体層に接して設けられた第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層よりも低濃度で、かつ前記第２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１半導体層よりも高濃度で、前記第３半導体層に接して設けられた第２導電型の第４半導体層と、前記第１半導体層よりも高濃度で、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２導電型の第５半導体層と、前記第５半導体層の表面に選択的に設けられた第１導電型の第６半導体層と、前記第５半導体層のうち前記第１半導体層と前記第６半導体層とに挟まれる部分に接するゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接するゲート電極からなるＭＯＳゲート構造と、前記第５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４半導体層の少なくとも一部に接触する第２電極と、を備える半導体装置であって、
前記第２半導体層のネットドーピング濃度が極大となる位置から、前記第３半導体層と前記第４半導体層との界面までの距離が、５μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記第３半導体層のネットドーピング濃度は、前記第２半導体層との界面から前記第４半導体層との界面に向かって減少していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２半導体層および前記第３半導体層に、水素、ヘリウム、リチウムまたは酸素のいずれか一つの原子が電気的に活性化されたドーパントとして含まれ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３】
前記第２半導体層および前記第３半導体層は、前記原子の注入面から当該原子の飛程までの領域に導入された結晶欠陥によって低下したキャリア移動度が熱処理により回復されてなる領域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２半導体層および前記第３半導体層は、前記原子の注入面から当該原子の飛程までの領域に導入された結晶欠陥によって低下したライフタイムが熱処理により回復されてなる領域であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ライフタイムは５０μｓ以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記原子の飛程は５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ＭＯＳゲート構造は、前記第５半導体層および前記第６半導体層を貫通し、前記第１半導体層に達するトレンチ内に、前記ゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接する前記ゲート電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２半導体層のネットドーピング濃度の最大値と、当該第２半導体層の半値全幅とを乗じた値の半値が、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上、好ましくは６×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上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２半導体層のネットドーピング濃度の最大値が１．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上、かつ当該第２半導体層の半値全幅が２．５μｍ以上、好ましくは３μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第３半導体層と、前記第４半導体層の間に、当該第３半導体層よりもネットドーピング濃度が高い第７半導体層を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項１１】
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半導体層に接して設けられた第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層よりも高濃度で、かつ前記第２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１半導体層よりも高濃度で、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２導電型の第４半導体層と、前記第４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、を備える半導体装置であって、
前記第２半導体層のネットドーピング濃度が極大となる位置から、当該第２半導体層と前記第３半導体層との界面までの距離が、５μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記第２半導体層のネットドーピング濃度は、前記極大となる位置よりも前記第３半導体層側の部分から前記第３半導体層との界面に向かって減少していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
上記請求項１〜１１のいずれか一つに記載の半導体装置を製造するにあたって、
前記第１半導体層となる第１導電型の半導体基板の第１主面側を研削する研削工程と、
前記第１半導体層の研削により露出された面に軽イオンを注入する注入工程と、
前記軽イオンを注入した面に異なる波長の２種類のレーザ光を照射することによって、注入された前記軽イオンを電気的に活性化させる照射工程と、
前記レーザ光を照射した面に金属膜を積層し、前記第２電極を形成する電極形成工程と、
を含み、
前記２種類のレーザ光のうちの短い波長のレーザ光は、前記半導体基板への侵入長が０．３μｍ以上５μｍ以下であり、
前記２種類のレーザ光のうちの長い波長のレーザ光は、前記半導体基板への侵入長が５μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記照射工程では、前記半導体基板の前記軽イオンを注入した面から３０μｍ以下の深さの領域を溶融状態または溶融状態に近い状態にすることにより前記軽イオンを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１３】
前記注入工程では、前記軽イオンの注入面から当該軽イオンの飛程までの軽イオン透過領域に結晶欠陥が導入されることにより前記軽イオン透過領域のキャリア移動度およびライフタイムが低下することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記照射工程では、前記２種類のレーザ光を照射することによって、前記軽イオン透過領域のキャリア移動度およびライフタイムを回復させることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記照射工程では、前記ライフタイムを５０μｓ以上に回復させることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記軽イオンの飛程は５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記照射工程においては、異なる波長の２種類のレーザ光を同時に照射することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記短い波長のレーザ光として、ＹＡＧ２ωレーザ、ＹＶＯ4２ωレーザもしくはＹＬＦ２ωレーザのうちのいずれか一つの全固体レーザ、窒化ガリウムを含む半導体レーザ、または、エキシマレーザもしくはヘリウムネオンレーザのうちのいずれか一つの気体レーザを用いることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記長い波長のレーザ光として、組成の一部にガリウムを含む半導体レーザ、ルビーレーザ、または、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザもしくはＹＬＦレーザのうちのいずれか一つの基準振動数の全固体レーザを用いることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記長い波長のレーザ光として、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（Xは、ストイキオメトリー（正規組成）を表す）レーザまたはＩｎXＧａ1-XＡｓレーザを用いることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記軽イオンは、プロトン、ヘリウムイオン、リチウムイオンまたは酸素イオンのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記軽イオンは、プロトンであることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記注入工程においては、前記軽イオンを２００ｋｅＶ以上３０ＭｅＶ以下の加速電圧で注入することを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記注入工程においては、プロトンを２００ｋｅＶ以上２ＭｅＶ以下の加速電圧で注入することを特徴とする請求項２２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）の表面側領域を形成後に裏面側を研削等により薄くした後に、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。）。
【０００４】
ここで、半導体装置の低損失化のためには、ターンオフ損失と導通損失（オン電圧）のトレードオフ関係を改善する必要がある。具体的には、表面ゲート構造を例えばトレンチゲート構造にすることでトレードオフ関係が改善される。また、Ｐ+コレクタ層からＮ-ドリフト層への少数キャリアの注入を抑制し、Ｎ-ドリフト層のキャリア濃度を低下することで、トレードオフ関係が改善される。さらに、耐圧が減少しない程度に、Ｎ-ドリフト層を薄くすることでもトレードオフ関係が改善される。
【０００５】
図１９は、従来の、フィールドストップ層の形成された半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。図１９において半導体装置の断面図４００に示すように、例えば、Ｎ-ドリフト層４１の一方の主面側に、Ｎ+フィールドストップ層４２と、Ｐ+コレクタ層４３と、がこの順に形成されている。また、Ｎ-ドリフト層４１の他方の主面側に、Ｐベース層４４が形成されている。Ｐベース層４４の表面層の一部には、Ｎソース層４５がＮ-ドリフト層４１と離れて形成されている。ゲート電極４７は、Ｎソース層４５およびＰベース層４４を貫通してＮ-ドリフト層４１に達するトレンチ内に、ゲート絶縁膜４６を介して形成されている。そして、Ｐベース層４４およびＮソース層４５の表面には、エミッタ電極４８が形成されている。また、Ｐ+コレクタ層４３の表面には、コレクタ電極４９が形成されている。
【０００６】
図１９においてエミッタ電極からの距離−ネットドーピング濃度（ｌｏｇ）の特性図４１０に示すように、Ｎ+フィールドストップ層４２のネットドーピング濃度は、Ｎ+フィールドストップ層４２とＰ+コレクタ層４３との界面の付近にピークを有し、Ｎ-ドリフト層４１のネットドーピング濃度よりも高い。また、Ｐ+コレクタ層４３とＰベース層４４のネットドーピング濃度は、ともにＮ-ドリフト層４１およびＮ+フィールドストップ層４２のネットドーピング濃度よりも高い。
【０００７】
次に、図１９に示す半導体装置の寸法を例示する。寸法については、Ｐベース層４４とエミッタ電極４８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。Ｐベース層４４とＮ-ドリフト層４１の界面までの距離は、３μｍである。Ｐ+コレクタ層４３とコレクタ電極４９との界面までの距離は、１４０μｍである。また、Ｎ+フィールドストップ層４２とＰ+コレクタ層４３との界面から、Ｐ+コレクタ層４３とコレクタ電極４９との界面までの距離、すなわちＰ+コレクタ層４３の厚さは、０．５μｍである。また、Ｎ-ドリフト層４１とＮ+フィールドストップ層４２との界面から、Ｐ+コレクタ層４３とコレクタ電極４９との界面までの距離は、３０μｍである。
【０００８】
Ｐベース層４４のネットドーピング濃度は、エミッタ電極４８との界面において５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、Ｎ-ドリフト層４１に向かって低くなり、Ｎ-ドリフト層４１との界面では、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも低い。Ｐ+コレクタ層４３のネットドーピング濃度は、コレクタ電極４９との界面において１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、Ｎ+フィールドストップ層４２に向かって低くなり、Ｎ+フィールドストップ層４２との界面では、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも低い。Ｎ-ドリフト層４１のネットドーピング濃度は５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃである。また、Ｎ+フィールドストップ層４２のネットドーピング濃度の最大値は、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃより大きい。
【０００９】
図１９に示す半導体装置を、例えば、ＦＺウェハの裏面を研削した後に、Ｐ+コレクタ層４３と、Ｎ-ドリフト層４１の間に、Ｎ-ドリフト層４１より高不純物濃度のＮ+フィールドストップ層４２を、イオン注入と熱活性化処理により形成する方法が下記特許文献１において開示されている。これにより、Ｐ+コレクタ層４３からの少数キャリアの注入を低下させて、ターンオフ損失を上げることなくオン電圧を下げることができる。
【００１０】
さらに、ウェハの裏面から深い位置にＮ+フィールドストップ層となるリンと、Ｐ+コレクタ層となるボロンとを、イオン注入した後に、イオン注入面に異なる波長の２種類のレーザ光を照射する方法が公知である。この方法によれば、ウェハのおもて面のＭＯＳゲート構造やメタル電極に影響を与えることなく、ウェハの裏面のイオン注入によるダメージを除去し、結晶性を回復させることができる。また、この２種類の波長のうちの長波長のレーザに、例えば、波長が８００ｎｍ程度のＧａＡｓ（ガリウム砒素）系の半導体レーザを用いることで、イオン注入面から３μｍ程度と深い位置のイオンの活性化を効果的におこなうことができる（例えば、下記特許文献２参照。）。
【００１１】
また、ウェハの裏面の深い位置にリンをイオン注入した後に、１回または照射タイミングをずらして複数回、１種類の波長のレーザ光をパルス状でイオン注入面に照射することによって、リンやボロンを活性化させる方法が開示されている。例えば、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザの第３高調波（ＹＡＧ３ωレーザ：波長３５５ｎｍ）またはＹＡＧ第２高調波（ＹＡＧ２ωレーザ：波長５３２ｎｍ）の半値幅を制御して、注入面から１．５μｍ程度の深さに注入されたリンを活性化させる方法が公知である（例えば、下記特許文献３または下記特許文献４参照。）。
【００１２】
また、ＹＡＧ２ωレーザを、傾けた基板に照射して、注入面から１．５μｍ程度の深さに注入されたリンを活性化させる方法が公知である（例えば、下記特許文献５参照。）。また、ＹＡＧレーザを複数回照射して、ウェハの裏面から１μｍ程度の深さに注入されたリンを活性化させる方法が公知である（例えば、下記特許文献６参照。）。さらに、ＧａＡｓ系の半導体レーザ（波長６９０ｎｍ〜９００ｎｍ）を照射することで、ウェハの裏面から１μｍ程度の深さに注入されたリンを活性化させる方法が公知である（例えば、下記特許文献７参照。）。
【００１３】
また、リンではなく、軽イオンである水素イオンなどを高い加速電圧で注入して熱処理を行い、水素に誘発されたドナー（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｏｎｏｒ）によりＮ+フィールドストップ層を形成する技術が提案されている。例えば、ウェハの裏面から１０μｍ程度の深さにプロトンを１ＭｅＶ前後の加速電圧で注入し、電気炉によって４００℃以上で、２時間以上の熱処理をおこなうことでプロトンをドナー化して、Ｎ+フィールドストップ層を形成する方法が公知である（例えば、下記特許文献８参照。）。また、プロトンを複数の段になるように注入し、Ｎ+フィールドストップ層の幅を広くする方法が公知である（例えば、下記特許文献９または下記特許文献１０参照。）。
【００１４】
さらに、本出願人は、酸素を含むシリコン基板にプロトンを注入する方法を提案している（例えば、下記特許文献１１参照。）。この方法によれば、注入ダメージによるキャリア移動度の低下を抑制することができる。また、シリコン基板に含まれた酸素と水素との複合欠陥により、水素のみに誘発されるドナーより数倍高い濃度のドナーが誘発される。
【００１５】
図２０は、シリコンに対してプロトンを照射したときの、プロトンの飛程Ｒｐ（Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  Ｒａｎｇｅ）と、照射後の水素の分布における半値幅ΔＲｐ（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ｏｆ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）を、ＳＲＩＭ２００６により計算した結果である。図２０に示すように、加速電圧の増加により、飛程Ｒｐおよび半値幅ΔＲｐが増加することがわかる。
【００１６】
その他にも、Ｎ-ドリフト層の中間よりＰ+コレクタ層に近い領域に、Ｐ+コレクタ層に接しないようにＮ+フィールドストップ層を形成する方法が、特開２００４−１９３１２号公報や特開２００２−３０５３０５号公報に開示されている。これは、エピタキシャル成長と、リンまたは砒素を用いたイオン注入と、を組み合わせることで形成することができる。
【００１７】
また、特開２００１−１０２３９２号公報や特許第３４１３０２１号公報には、プロトンやヘリウムなどの軽イオンの照射による局所的なライフタイム制御（ライフタイムキラーの導入量の制御）をおこなう方法が開示されている。特に、特許第３４１３０２１号公報には、ライフタイム制御をおこなった際に発生するライフタイムの極端に短い領域より、リンによって形成されたＮ+フィールドストップ層のライフタイムが長くなるようなリンの濃度が開示されている。さらに、リン、もしくはプロトンを照射した後に、レーザアニールによってＮ+フィールドストップ層を形成する方法が開示されている（例えば、下記特許文献１２、下記特許文献１３参照。）。
【００１８】
【特許文献１】特表２００２−５２０８８５号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０１５３８８号パンフレット
【特許文献３】特開２００３−５９８５６号公報
【特許文献４】特開２００２−３１４０８４号公報
【特許文献５】特開２００７−０５９４３１号公報
【特許文献６】特開２００７−１２３３００号公報
【特許文献７】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献８】特開２００６−３４４９７７号公報
【特許文献９】米国特許出願公開第２００６／００８１９２３号明細書
【特許文献１０】特表２００３−５３３０４７号公報
【特許文献１１】国際公開第２００７／０５５３５２号パンフレット
【特許文献１２】特許第３８８５５９８号公報
【特許文献１３】特許第３６８４９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、特許文献１の技術では、特に耐圧が６００Ｖや１２００Ｖクラスの半導体装置においては、ウェハの最終厚が１００μｍ程度と薄い必要があり、ハンドリング時に割れやすくなる。このため、ウェハが薄い状態で処理する工程をなるべく少なくするために、ウェハの裏面を研削する前に、ウェハのおもて面にＭＯＳゲート構造やメタル電極が形成されている。研削後の活性化処理においては、ウェハのおもて面に既に電極が形成されているため、この電極材料の融点以下の低温、例えば電極材料がアルミニウムであれば４５０℃以下、好ましくは４００℃程度の温度で熱処理をおこなわなければならない。そのため、不純物が十分に活性化されにくいという問題がある。
【００２０】
また、特許文献２〜７の技術では、リンは拡張係数が小さく、例えば熱処理を１１５０℃で１時間おこなっても、ウェハの裏面から約３μｍ程度までしか拡散がおこなわれない。さらに、ウェハのおもて面に既に電極が形成されているため、注入後の熱処理の温度を１１５０℃の高温とすることはできず、電極材料の融点以下の低温としなければならない。このため、リンがシリコン中で拡散せず、注入されたリンの１０％以下程度が欠陥位置において隣接するシリコンと共有結合することで活性化するのみである。したがって、Ｎ+フィールドストップ層はウェハの裏面から１．５μｍ程度の位置にしか形成することができない。
【００２１】
特に、特許文献５には、レーザのシリコン基板へ侵入する深さが深くなると、基板のおもて面側のＭＯＳゲート構造の温度が上昇し、素子の特性が劣化するため、レーザの波長を６００ｎｍ未満にすることが記載されている。このように、リンのような拡散の進行が遅い元素を用いる場合、電気炉による熱処理やレーザアニールでは、注入面から深い位置にＮ+フィールドストップ層を形成することができないという問題がある。
【００２２】
ここで、Ｎ+フィールドストップ層の深さが、１．５μｍ程度の場合、トレンチゲート型のＩＧＢＴにおいては、オフ状態の素子の耐圧を測定するときに、アバランシェ電流が流れることでスナップバック現象が生じ、素子が破壊するという問題が挙げられることが判明した。具体的には、テクトロニクス社製のカーブトレーサーＣＴ−３７０Ａを用いて素子の耐圧を測定するときに、ゲート電極をエミッタ電極に電気的に接続し、コレクタ電極に印加される正の電圧が素子の耐圧に到達するとアバランシェ電流が流れ出す。例えば、１２００Ｖクラスの素子の場合、電圧が１４００Ｖ程度に到達するとアバランシェ電流が流れ出す。そして、電流が１００μＡ／ｃｍ2程度になると、負性抵抗を示し、電圧が急激に減少して、電流がチップの１箇所に集中して素子が破壊される。ただし、エピタキシャルウェハを用いて作製されたパンチスルー型ＩＧＢＴおよびＦＺバルクウェハを用いて作製されたノンパンチスルー型ＩＧＢＴではこの現象はおこらない。
【００２３】
特許文献２の技術では、基板表面の温度上昇を４００℃以下に抑えて、基板の裏面側から３μｍ程度の深さまでのリンおよびボロンを、１４００℃以上の溶融状態にすることができる。しかしながら、８０８ｎｍの長波長のレーザの侵入長が１７．５μｍであるのに対して、リンを活性化させることのできる領域が約３μｍ程度である。したがってリンのような拡張係数が相対的に小さい原子では、レーザの侵入長の６分の１程度の領域でしか、欠陥との置換による結晶回復およびドナーの活性化ができない。このため、長波長のレーザを用いて侵入長を深くする利点を十分に活かすことができないという問題がある。
【００２４】
また、特許文献１には、リンよりも拡散係数の大きいセレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）などの原子を用いてＮ+フィールドストップ層を形成する方法が開示されている。特許文献１の技術によれば、拡散によってウェハの裏面から１５〜２０μｍ程度の深い位置にＮ+フィールドストップ層を形成することができる。このように、ウェハの裏面の深い位置にＮ+フィールドストップ層を形成すると、スナップバック現象はおこらないが、ウェハの裏面から１５〜２０μｍ程度の位置にＮ+フィールドストップ層を形成するためには、例えば、１０００℃の熱処理を１時間程度おこなわなければならない。したがって、ウェハのおもて面のＭＯＳゲート構造や電極を形成する前にＮ+フィールドストップ層を形成しなければならない。これによって、ウェハが薄い状態で処理をおこなう工程が増えるため、ウェハが割れる可能性が増えるという問題がある。
【００２５】
また、上述した特許文献８、特許文献９、特許文献１２または特許文献１３の技術では、ウェハのおもて面に表面構造や電極を形成した後に、ウェハの裏面を研削し、その研削面から深い位置にプロトンなどの軽いイオンを注入してドナー化することでＮ+フィールドストップ層を形成することができる。したがって、ウェハが薄い状態でおこなう工程を少なくすることができる。しかしながら、プロトンを照射した後に、２時間以上、好ましくは２時間半以上、電気炉において活性化処理をおこなわなければならず、スループットが低下するという問題がある。また、プロトンなどの軽イオンの注入深さの根拠や効果が明確でない。
【００２６】
さらに、特許文献９の技術では、複数の段になるようにプロトンを注入するため、照射回数が増加してコストが増加するという問題がある。また、熱処理の温度が４００℃以上との記載はあるが、例えば、温度が５００℃以上になると、既にウェハの表面に形成された電極がこげたり、酸化したりしてしまうため、コンタクト等の特性が劣化する。また、処理時間の記載が明確ではない。
【００２７】
さらに、特許文献８または特許文献９の技術においては、Ｎ+フィールドストップ層の幅が２μｍ程度である。その理由は、加速電圧が１．０ＭｅＶのため横方向の半値全幅（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ｏｆ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）が０．７μｍとなるからである。したがって、Ｎ+フィールドストップ層の幅が狭いため、Ｎ+フィールドストップ層での電界強度の変化が急峻となる。これにより、ターンオフのときに空乏層がＮ+フィールドストップ層に達すると、電圧の増幅率（ｄＶ／ｄｔ）が増えて、電磁ノイズが発生する原因となる。また、幅の狭いＮ+フィールドストップ層がその機能を果たすためには、少なくとも２×１０15／ｃｍ3程度の濃度が必要であり、プロトンを１×１０15／ｃｍ2以上のドーズ量で注入しなければならず、スループットが低下するという問題がある。一方、Ｎ+フィールドストップ層の濃度が低下すると、漏れ電流が増加してしまうという問題がある。
【００２８】
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、スナップバック現象による素子の破壊を防ぐことが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。また、半導体基板の割れを防ぐことのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
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導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層よりも高濃度で、かつ前記第１半導体層の第１主面側で当該第１半導体層に接して設けられた第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層よりも低濃度で、かつ前記第２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１半導体層よりも高濃度で、前記第３半導体層に接して設けられた第２導電型の第４半導体層と、前記第１半導体層よりも高濃度で、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２導電型の第５半導体層と、前記第５半導体層の表面に選択的に設けられた第１導電型の第６半導体層と、前記第５半導体層のうち前記第１半導体層と前記第６半導体層とに挟まれる部分に接するゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接するゲート電極からなるＭＯＳゲート構造と、前記第５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４半導体層の少なくとも一部に接触する第２電極と、を備える半導体装置であって、前記第２半導体層のネットドーピング濃度が極大となる位置から、前記第３半導体層と前記第４半導体層との界面までの距離が、５μｍ以上３０μｍ以下であり、前記第３半導体層のネットドーピング濃度は、前記第２半導体層との界面から前記第４半導体層との界面に向かって減少していることを特徴とする。
【００３０】
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、前記第２半導体層および前記第３半導体層に、水素、ヘリウム、リチウムまたは酸素のいずれか一つの原子が電気的に活性化されたドーパントとして含まれることを特徴とする。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、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、前記原子の注入面から当該原子の飛程までの領域に導入された結晶欠陥によって低下したキャリア移動度が熱処理により回復されてなる領域であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、前記原子の注入面から当該原子の飛程までの領域に導入された結晶欠陥によって低下したライフタイムが熱処理により回復されてなる領域であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ライフタイムは５０μｓ以上であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記原子の飛程は５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ＭＯＳゲート構造は、前記第５半導体層および前記第６半導体層を貫通し、前記第１半導体層に達するトレンチ内に、前記ゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接する前記ゲート電極が設けられてい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は、上述した発明において、前記第２半導体層のネットドーピング濃度の最大値と、当該第２半導体層の半値全幅とを乗じた値の半値が、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上、好ましくは６×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上であることを特徴とする。
【００３２】
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、前記第２半導体層のネットドーピング濃度の最大値が１．０×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上、かつ当該第２半導体層の半値全幅が２．５μｍ以上、好ましくは３μｍ以上であることを特徴とする。
【００３４】
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、前記第３半導体層と、前記第４半導体層の間に、当該第３半導体層よりもネットドーピング濃度が高い第７半導体層を備えることを特徴とする。
【００３５】
また、この発明にかかる半導体装置は、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半導体層に接して設けられた第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層よりも高濃度で、かつ前記第２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１半導体層よりも高濃度で、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２導電型の第４半導体層と、前記第４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、を備える半導体装置であって、前記第２半導体層のネットドーピング濃度が極大となる位置から、当該第２半導体層と前記第３半導体層との界面までの距離が、５μｍ以上３０μｍ以下であり、前記第２半導体層のネットドーピング濃度は、前記極大となる位置よりも前記第３半導体層側の部分から前記第３半導体層との界面に向かって減少していることを特徴とする。
【００３６】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した半導体装置を製造するにあたって、前記第１半導体層となる第１導電型の半導体基板の第１主面側を研削する研削工程と、前記第１半導体層の研削により露出された面に軽イオンを注入する注入工程と、前記軽イオンを注入した面に異なる波長の２種類のレーザ光を照射することによって、注入された前記軽イオンを電気的に活性化させる照射工程と、前記レーザ光を照射した面に金属膜を積層し、前記第２電極を形成する電極形成工程と、を含み、前記２種類のレーザ光のうちの短い波長のレーザ光は、前記半導体基板への侵入長が０．３μｍ以上５μｍ以下であり、前記２種類のレーザ光のうちの長い波長のレーザ光は、前記半導体基板への侵入長が５μｍ以上３０μｍ以下であり、前記照射工程では、前記半導体基板の前記軽イオンを注入した面から３０μｍ以下の深さの領域を溶融状態または溶融状態に近い状態にすることにより前記軽イオンを電気的に活性化させることを特徴とする。
【００３７】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記注入工程では、前記軽イオンの注入面から当該軽イオンの飛程までの軽イオン透過領域に結晶欠陥が導入されることにより前記軽イオン透過領域のキャリア移動度およびライフタイムが低下することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記照射工程では、前記２種類のレーザ光を照射することによって、前記軽イオン透過領域のキャリア移動度およびライフタイムを回復させることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記照射工程では、前記ライフタイムを５０μｓ以上に回復させることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記軽イオンの飛程は５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記照射工程においては、異なる波長の２種類のレーザ光を同時に照射することを特徴とする。
【００３８】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記短い波長のレーザ光として、ＹＡＧ２ωレーザ、ＹＶＯ4２ωレーザもしくはＹＬＦ２ωレーザのうちのいずれか一つの全固体レーザ、窒化ガリウムを含む半導体レーザ、または、エキシマレーザもしくはヘリウムネオンレーザのうちのいずれか一つの気体レーザを用いることを特徴とする。
【００３９】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記長い波長のレーザ光として、組成の一部にガリウムを含む半導体レーザ、ルビーレーザ、または、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザもしくはＹＬＦレーザのうちのいずれか一つの基準振動数の全固体レーザを用いることを特徴とする。
【００４０】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記長い波長のレーザ光として、ＡｌXＧａ1-XＡｓ（Xは、ストイキオメトリー（正規組成）を表す）レーザまたはＩｎXＧａ1-XＡｓレーザを用いることを特徴とする。
【００４１】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記軽イオンは、プロトン、ヘリウムイオン、リチウムイオンまたは酸素イオンのうちのいずれか一つであることを特徴とする。
【００４２】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記軽イオンは、プロトンであることを特徴とする。
【００４３】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記注入工程においては、前記軽イオンを２００ｋｅＶ以上３０ＭｅＶ以下の加速電圧で注入することを特徴とする。
【００４４】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記注入工程においては、プロトンを２００ｋｅＶ以上２ＭｅＶ以下の加速電圧で注入することを特徴とする。
【００４５】
上記各発明によれば、第２半導体層のネットドーピング濃度が極大となる位置から、第３半導体層と第４半導体層との界面までの距離が長いため、オフ状態のときにコレクタ−エミッタ間に高電圧が印加されてアバランシェ電流が流れ始めても、空乏層の端部から第３半導体層までの距離が長くなる。このため、電流が素子の１箇所に集中することを防ぐことができる。
【００４６】
また、上記各発明によれば、ウェハのおもて面にＭＯＳゲート構造を形成し、ウェハの裏面を研削した後に、ウェハの裏面に軽イオンを照射し、さらに、ウェハの裏面に異なる波長の２種類のレーザを同時に照射することで、ウェハのおもて面のＭＯＳゲート構造に影響を与えずに、ウェハの裏面から深い位置に第２半導体層を形成することができる。
【発明の効果】
【００４７】
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、スナップバック現象による素子の破壊を防ぐことができるという効果を奏する。また、半導体基板の割れを防ぐ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】
【００４８】
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。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。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。図１において半導体装置の断面図１００に示すように、例えば、第１半導体層であるＮ-ドリフト層１の一方の主面側（第１主面側）に、第２半導体層であるＮ+第１バッファ層（Ｎ+フィールドストップ層）２と、第３半導体層であるＮ第２バッファ層１２と、第４半導体層であるＰ+コレクタ層３と、がこの順に形成されている。また、Ｎ-ドリフト層１の他方の主面側（第２主面側）に、第５半導体層であるＰベース層４が形成されている。Ｐベース層４の表面層の一部には、第６半導体層であるＮソース層５がＮ-ドリフト層１と離れて形成されている。ゲート電極７は、Ｎソース層５およびＰベース層４を貫通してＮ-ドリフト層１に達するトレンチ内に、ゲート絶縁膜６を介して形成されている。そして、Ｐベース層４およびＮソース層５の表面には、第１電極であるエミッタ電極８が形成されている。また、Ｐ+コレクタ層３の表面には、第２電極であるコレクタ電極９が形成されている。
【００５０】
図１においてエミッタ電極からの距離−ネットドーピング濃度（ｌｏｇ）の特性図１１０に示すように、Ｎ+第１バッファ層２のネットドーピング濃度は、Ｎ+第１バッファ層２のほぼ中間付近にピークを有し、Ｎ-ドリフト層１のネットドーピング濃度よりも高い。Ｎ第２バッファ層１２のネットドーピング濃度は、Ｎ-ドリフト層１よりも高く、Ｎ+第１バッファ層２のネットドーピング濃度のピーク値よりも低い。このＮ第２バッファ層１２は、Ｎ+第１バッファ層２との界面からＰ+コレクタ層３の界面に向かって傾きを持って減少している。また、Ｐ+コレクタ層３とＰベース層４のネットドーピング濃度は、ともにＮ-ドリフト層１、Ｎ+第１バッファ層２およびＮ第２バッファ層１２のネットドーピング濃度よりも高い。
【００５１】
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７５Ａとなるように、チップサイズを８ｍｍ×８ｍｍとして作製した場合の、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、Ｐベース層４とエミッタ電極８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。
【００５２】
Ｐベース層４とＮ-ドリフト層１の界面までの距離は、３μｍである。Ｐ+コレクタ層３とコレクタ電極９との界面までの距離は、１４０μｍである。Ｎ第２バッファ層１２とＰ+コレクタ層３との界面から、Ｐ+コレクタ層３とコレクタ電極９との界面までの距離、すなわちＰ+コレクタ層３の厚さは、０．５μｍである。また、Ｎ+第１バッファ層２のネットドーピング濃度のピークの位置から、Ｐ+コレクタ層３とコレクタ電極９との界面までの距離、すなわちプロトンの飛程Ｒｐは、１６μｍである。
【００５３】
Ｐベース層４のネットドーピング濃度は、エミッタ電極８との界面において５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、Ｎ-ドリフト層１に向かって低くなり、Ｎ-ドリフト層１との界面では、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも低い。Ｐ+コレクタ層３のネットドーピング濃度は、コレクタ電極９との界面において１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、Ｎ第２バッファ層１２に向かって低くなり、Ｎ第２バッファ層１２との界面では、５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃよりも低い。また、Ｎ-ドリフト層１のネットドーピング濃度は５×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｃであり、Ｎ+第１バッファ層２のネットドーピング濃度の最大値は１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｃである。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。
【００５４】
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：７５Ａ）を製造する場合について説明する。図２−１〜図２−５は、製造プロセスを示す図である。まず、図２−１に示すように、半導体基板として、比抵抗が４０〜８０Ωｃｍ、例えば５５Ωｃｍの、径が６インチのＦＺウェハ１０を用意する。そして、標準的なトレンチゲート型ＭＯＳデバイスの形成工程によって、Ｐベース層４、Ｎソース層５、ゲート絶縁膜６、ゲート電極７、絶縁膜１１およびエミッタ電極８を形成する。また、エミッタ電極８の材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）である。
【００５５】
次いで、図２−２に示すように、ＦＺウェハ１０の裏面に対して研削やウェットエッチングをおこない、ＦＺウェハ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１０の厚さは、例えば１４０μｍである。
【００５６】
次いで、図２−３に示すように、研削やウェットエッチングがおこなわれた面に対して、プロトン（Ｈ+）を照射する。その際、加速電圧は、例えば１ＭｅＶであり、プロトンのドーズ量は、例えば１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。このときのプロトンの飛程Ｒｐは、イオン照射面から１６μｍである。その後、ＦＺウェハ１０の裏面にボロンイオン（Ｂ+またはＢＦ2）をイオン注入する。その際、加速電圧は、例えば５０ｋｅＶであり、ドーズ量は、例えば１×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。
【００５７】
次いで、図２−４に示すように、イオン注入面に対して、ＹＡＧ２ωレーザ（波長：５００ｎｍ）とＧａＡｓ系の半導体レーザ（波長：８０８ｎｍ）を同時に照射する。レーザ光を照射する際のエネルギーは、例えば、ＹＡＧ２ωレーザが２００ｍＪ／ｃｍ2であり、半導体レーザが４０００ｍＪ／ｃｍ2である。
【００５８】
次いで、図２−５に示すように、プロトン照射でできた結晶欠陥が回復されることで、イオン注入面からプロトンの飛程Ｒｐ±半値幅ΔＲｐ（ＦＷＨＭ）の領域に高濃度領域１３ができる。この高濃度領域１３のうちのＲｐ−ΔＲｐからＲｐ＋ΔＲｐまでの領域がＮ+第１バッファ層となる。また、プロトンの透過領域（イオン注入面からＲｐ−ΔＲｐの位置まで）のネットドーピング濃度はバルク濃度よりも高くなる。この領域がＮ第２バッファ層となる。バルク濃度は、ＦＺウェハ１０のネットドーピング濃度である。
【００５９】
次いで、ボロン等のＰ型不純物を電気的に活性化してＰ+コレクタ層３を形成する。そして、Ｐ+コレクタ層３の表面にポリイミド膜を、例えば５μｍの厚さで塗布して、パターニングすることで、図示しないエッジ領域にパッシベーション膜を形成する。その後、Ｐ+コレクタ層３の表面に、アルミニウム、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）の順に金属を成膜し、Ｐ+コレクタ層３にオーミック接触するコレクタ電極９を形成し、半導体装置が完成する。ＦＺウェハのＰベース層４と高濃度領域１３との間の部分は、Ｎ-ドリフト層となる。図２−５の特性図は、図２−５に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。
【００６０】
図３は、実施の形態１にかかる半導体装置のＮ-ドリフト層の中央付近からコレクタ電極までの各部の寸法およびネットドーピング濃度について示す図である。図３に示すように、Ｎ第２バッファ層とＰ+コレクタ層とのＰＮ接合を基準として、Ｎ+第１バッファ層のネットドーピング濃度のピークの位置までの距離をＸｐとする。実施の形態１にかかる半導体装置においては、Ｘｐは、５μｍ以上３０μｍ以下となる。その理由については後述する。
【００６１】
図４は、コレクタ−エミッタ間電圧と、コレクタ電流の増幅割合と、の関係を示す特性図である。図４においては、素子がオフ状態のときに、コレクタ−エミッタ間に、素子の耐圧に極めて近い値の電圧ＢＶを印加して、アバランシェ電流が流れ始めた状態での、コレクタ電流の増幅割合について示す。
【００６２】
コレクタ電流の増幅割合ＩC／ＩLは、次の（１）式にて与えられる。ただし、（１）式において、コレクタ−エミッタ間に電圧ＢＶを印加したときのコレクタ電流をＩC、ＦＺウェハの裏面にＰ+コレクタ層が形成されていない状態での漏れ電流をＩL、電圧ＢＶを印加したときの実効的な増幅率をαPNPeffとする。ここで、コレクタ−エミッタ間に電圧ＢＶを印加すると、空乏層がＮ-ドリフト層からＮ+第１バッファ層に達して、空間電荷がゼロである中性領域がＮ+第１バッファ層内で十分に短くなる。このときのコレクタ電流の増幅率がαPNPeffである。
【００６３】
ＩC／ＩL＝１／（１−αPNPeff）・・・（１）
【００６４】
また、実効的な増幅率αPNPeffは、次の（２）式で与えられ、１．０未満の値である。ただし、（２）式において、エミッタ側からのホールの注入効率をγE、ドリフト層における輸送効率をαＴ、インパクトイオン化による増幅係数をＭとする。
【００６５】
αPNPeff＝γEαＴＭ・・・（２）
【００６６】
ここで、ＩＧＢＴがオフ状態のときにコレクタに正のバイアスを印加していくと、空乏層がエミッタ側からドリフト層中を広がるので、印加電圧の増加に伴ってドリフト層中の中性領域幅が減少する。したがって、ＰＮＰトランジスタ部の実効的なベース幅が小さくなり、γEが増加するのでαPNPが増加する。このように印加電圧に伴って変化するαPNPを、静的なαPNPと区別するため、本明細書では実効的な増幅率と呼び、αPNPeffと表す。
【００６７】
また、輸送効率αＴは、次の（３）式で与えられる。ただし、（３）式において、中性領域の残り幅をＬCNZ、ホールの拡張長さをＬPとする。中性領域残り幅ＬCNZは、ドリフト層（Ｎ-ドリフト層、Ｎ+第１バッファ層およびＮ第２バッファ層）中の、エミッタ側からドリフト層中に広がった空乏層によって消滅していない中性領域の幅である。
【００６８】
αＴ＝１／（ｃｏｓｈ（ＬCNZ／ＬP））・・・（３）
【００６９】
また、インパクトイオン化による増幅係数Ｍは、次の（４）式で与えられる。ただし、（４）式において、印加電圧をＶ、一方の表面側が階段状でＰＮ接合面が基板表面に対して平行になっているダイオードの理想耐圧値をＶPPとする。
【００７０】
Ｍ＝１／（１−（Ｖ／ＶPP）6）・・・（４）
【００７１】
図４では、ＬCNZを０．１μｍから３０μｍまで変化させた。また、図４においては、ＶPPが１４５０Ｖであり、γEが０．３である。図４に示すように、コレクタ電流の増幅割合は、ＶPPより低い電圧値で急激に増加する。その理由は、公知であるため説明を省略するが、ＰＮＰ型トランジスタのベースを開放する動作に起因している。
【００７２】
このＰＮＰ型トランジスタの耐圧は、コレクタ電流の増幅割合が急激に増加するときの電圧である。したがって、ＰＮＰ型トランジスタの耐圧は、ＬCNZが０．１μｍから３μｍの範囲では、ほぼ１３３４．４Ｖであるが、ＬCNZが５μｍ以上になると増加し、ＬCNZが３０μｍでは、１３３５．３Ｖである。ＬCNZが０．３μｍから３μｍの範囲と、ＬCNZが３０μｍの領域とを比較すると、ＰＮＰ型トランジスタの耐圧は、印加電圧の０．１％程度と小さい割合であるが、増加している。
【００７３】
ここで、従来のトレンチゲート構造の素子について説明する。従来のトレンチゲート型構造の素子に、厚さが１μｍ以下のフィールドストップ層がリンを用いて形成されている場合、空乏層がフィールドストップ層に達したときに、空乏層の端からＰ+コレクタ層までの距離が０．３μｍ程度である。このため、実効的な注入効率は、１に近くなる。このとき、ウェハの裏面から注入されたホールは、空乏層を通過してウェハのおもて面側に到達する。ウェハのおもて面側では、Ｐベース層がエミッタ電極と接している。また、ホールは、Ｐベース層とエミッタ電極との界面に向かう途中で、トレンチに埋め込まれたゲート電極の近傍を通過する。
【００７４】
ここで、ゲート電極が埋め込まれたトレンチは、Ｎ-ドリフト層まで達している。オフ状態のときに高電圧が印加されると、電気ポテンシャルがトレンチの底部の形状に合わせて湾曲し、トレンチの底部で電界強度が増加する。電界強度が増加する理由は、トレンチの底部の曲率が、プレーナゲート型の素子のＰウェル層よりも高いためである。これによって、ホールがトレンチの底部に一時的に集中する。このように、ホールが集中することで、トレンチの底部で電界強度がさらに増加するため、アバランシェ降伏が生じて電子が発生する。この電子が空乏層を、Ｐ+コレクタ層側に向けて流れて、Ｐ+コレクタ層に到達する。
【００７５】
アバランシェ降伏が生じると、電圧の増加が極めて小さい値でも電流が流れてしまう。これにより、Ｐ+コレクタ層からのホールの注入が促進され、正帰還状態に入る。これにより、コレクタ電流が増加する。同時に、空乏層中のキャリアが増加するため、電界強度の分布が変化して、Ｎ-ドリフト層において高電圧を維持することができなくなる。
【００７６】
その結果、電流の増加に加え、コレクタ−エミッタ間電圧が減少して、スナップバック現象が生じる。スナップバック現象とは、電流が、最も正帰還の強い１箇所に集中して、素子が劣化する現象である。
【００７７】
素子を低損失にするためにはトレンチゲート型の構造が有効である。一方、トレンチゲート型の素子において、スナップバック現象を抑制するためには、空乏層がフィールドストップ層に達してそれ以上広がらなくなったときの、空乏層の端部からＰ+コレクタ層までの距離、すなわち中性領域の距離を、少しでも大きくすることが必要である。
【００７８】
従来のＳｅやＳを用いて形成されたフィールドストップ層においては、中性領域の距離が５μｍ程度かそれ以上となり、スナップバック現象が生じないことが公知である。これは、正帰還が十分に抑制されているためである。しかしながら、プロトンなどの軽イオンを照射することでフィールドストップ層を形成する場合、静的なアバランシェ電流が流れるときに耐圧が劣化するのは、スナップバック現象に起因していることが知られている。
【００７９】
したがって、ＬCNZを５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上とすることで、プロトンの照射によりフィールドストップ層の形成されたトレンチゲート構造の素子においても、スナップバック現象を回避することができる。したがって、ＸｐはＬCNZと同等かそれ以上でなくてはならないため、５μｍ以上が好ましい。
【００８０】
実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法においては、プロトンを、例えば１ＭｅＶの加速電圧で照射することで、飛程Ｒｐが例えば１６μｍとなる。したがって、ＰＮ接合からの距離が５μｍ以上の位置に中性領域を形成することができる。このため、耐圧を測定するときにアバランシェ電流が流れても、スナップバック現象が生じないので、素子の耐圧が劣化しない。実際の耐圧は、公知のガードリング構造、ＲＥＳＵＲＦ（Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）構造、ガードリング構造にフィールドプレート構造を加えた構造等の接合終端構造によって異なる。実施の形態１の半導体装置においては、例えば、ガードリング構造にフィールドプレート構造を加えた構造により接合終端構造が形成されていることとする。このため、ＰＮＰトランジスタを含む平面接合に近似する耐圧値とほぼ同じ値を示す。
【００８１】
このようにして作製した試料を、角度が２°５２′であるマウントに貼り付け、ウェハの断面を露出するように研磨した。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５に示す。図５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、すなわち深さである。また、図５において、丸印（●）は、ＹＡＧ２ωレーザと半導体レーザを同時に照射した場合の深さに対するキャリア濃度であり、菱形印（◆）は、半導体レーザのみを照射した場合の深さに対するキャリア濃度である。
【００８２】
図５に示すように、半導体レーザのみを照射した場合、ＹＡＧ２ωレーザと半導体レーザを同時に照射した場合よりも、キャリア濃度が低いことがわかる。この理由は、半導体レーザのみを照射した場合、プロトンの照射によるダメージが回復せず、キャリア移動度が低下し、プロトンが活性化されていないためである。
【００８３】
次に、プロトンを注入したときの加速電圧に対する、プロトンの飛程および漏れ電流良品率を測定した結果を図６に示す。図６において、縦軸の左軸はプロトンの飛程、縦軸の右軸は漏れ電流良品率であり、横軸は加速電圧である。また、プロトン（Ｈ+）のドーズ量は１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。図６において、ＹＡＧ２ωレーザ（波長：５３２ｎｍ、侵入長λｐ１：１．５μｍ）とＧａＡｓ系の半導体レーザであるＡｌＧａＡｓレーザ（波長：８０８ｎｍ、侵入長λｐ２：１０μｍ）を同時に照射した場合の漏れ電流良品率を太実線で示す。また、ＹＡＧ２ωレーザのみを照射した場合の漏れ電流良品率を細実線で示す。また、ＡｌＧａＡｓレーザのみを照射した場合の漏れ電流良品率を太破線で示す。さらに、プロトンの飛程を細一点鎖線で示す。
【００８４】
ここで、ゲート電極とエミッタ電極の間に１２００Ｖの電圧を印加し、漏れ電流の電流密度が１μＡ／ｃｍ2未満であれば良品であるとし、１μＡ／ｃｍ2以上であれば不良品であるとする。漏れ電流良品率とは、ウェハの製造プロセスが完了した後で、ダイシングにより個々のチップにカットする前の状態での、１つのウェハのチップ数における良品のチップの割合である。
【００８５】
図６に示すように、ＹＡＧ２ωレーザとＡｌＧａＡｓレーザを同時に照射した場合、加速電圧が３００ｋｅＶから１．３ＭｅＶの範囲で、漏れ電流良品率が９５％を超えることがわかる。一方、ＹＡＧ２ωレーザのみを照射した場合、加速電圧が１００ｋｅＶ以下の範囲では、漏れ電流良品率が９０％程度であるが、加速電圧が２００ｋｅＶ以上になると漏れ電流良品率が５０％程度である。また、ＡｌＧａＡｓレーザのみを照射した場合、漏れ電流良品率が最大でも５０％程度である。
【００８６】
ここで、良品率が高い値を示す加速電圧に対するプロトンの飛程は、約３μｍから３０μｍの範囲である。これに対して、ＹＡＧ２ωレーザのシリコンへの侵入長λｐ１は、約１．５μｍであり、ＡｌＧａＡｓレーザのシリコンへの侵入長λｐ２は、約１０μｍである。
【００８７】
したがって、ＹＡＧ２ωレーザのみを照射した場合、侵入長λｐ１が約１．５μｍと小さいため、この領域までしかプロトンが活性化せず、それ以上に深い領域ではプロトンがドナー化していない。また、イオン注入によるダメージ（欠陥）が多く残っている。この欠陥がウェハ内でばらつくため、空乏層がＰ+コレクタ層に達して、パンチスルー現象が生じる。これによって漏れ電流の大きなチップができるため、漏れ電流良品率が低下する。
【００８８】
また、ＡｌＧａＡｓレーザのみを照射した場合、侵入長λｐ２が約１０μｍと大きいため、ウェハのおもて面（レーザの照射面と逆側の面）の温度が約６００℃程度まで上昇する。このため、レーザの照射面と逆側の面に、例えばアルミニウム電極が形成されている場合、そのままのレーザ出力ではアルミニウム電極が溶解してしまう。したがって、アルミニウム電極が溶解しないように、レーザの出力を制限しなければならないため、侵入長が短くなり、それより深い領域ではプロトンがドナー化せず、欠陥も回復しない。これによって、パンチスルー現象が生じ、漏れ電流の大きいチップができるため、漏れ電流良品率が低下する。
【００８９】
侵入長と波長が異なる２種類のレーザを照射する理由について説明する。図７−１〜図７−３は、レーザの照射を終了した時点からの経過時間に対する、ウェハ表面（レーザ照射面）からの距離、すなわち深さにおける温度を示す特性図である。図７−１は、ＹＡＧ２ωレーザとＡｌＧａＡｓレーザを同時に照射した場合であり、図７−２は、ＹＡＧ２ωレーザのみを照射した場合であり、図７−３は、ＡｌＧａＡｓレーザのみを照射した場合である。
【００９０】
また、温度分布は、差分を計算することで、レーザ光吸収、固体内の熱伝導、表面からの輻射および自然対流放熱を含むようにした。
【００９１】
レーザ光吸収ＩOUTは、レーザ透過特性をＩ（ｘ）＝１０ＥＸＰ（−ｕ×ｘ）、線吸収係数をｕ＝１１７８９．７３ｃｍ-1、シリコンのＹＡＧ２ωレーザに対する反射率を３８％として算出した。したがって、レーザ光吸収ＩOUTは、レーザ出力に対して、ＩOUT×（１−０．３８）＝１０となる。
【００９２】
固体内の熱伝導ｄＱ／ｄｔは、（５）式にて与えられる。ただし、（５）式において、熱量をＱ、断面積をＳ、熱伝導率をλとする。
【００９３】
ｄＱ／ｄｔ＝Ｓ・λ・ΔＴ／Δｘ・・・（５）
【００９４】
表面からの輻射Ｅは、（６）式にて与えられる。ただし、（６）式において、ボルツマン定数をσ、輻射率をεとする。また、自然対流放熱は、自然対流放熱係数を１０Ｗ／ｍ２Ｋ（想定値）として算出した。
【００９５】
Ｅ＝ε・σ・Ｔ４・・・（６）
【００９６】
短い時間でレーザアニールの効果が現れるのは、基板の融点を超える領域である。例えば、基板がシリコン基板の場合、シリコンの融点である１４１４℃を超える領域である。ＹＡＧ２ωレーザとＡｌＧａＡｓレーザを同時に照射した場合は、図７−１に示すように、３０μｍの深さで、経過時間が３００ｎｓまで温度がシリコンの融点（１４１４℃）を超えている。また、５０μｍの深さでは、温度が６００℃であり、アルミニウムの融点（６６０℃）より低いため、深さが５０μｍ以上の範囲ではアルミニウムが溶融しない。
【００９７】
さらに、図示はしないが、５０μｍの深さでは、経過時間が１００μｓ以降に、温度が４００℃以下となる。したがって、レーザ照射面とは逆側の、ウェハのおもて面に形成されたアルミニウム電極が溶融しない。ここで、通常、プロトンは、温度が３００〜４００℃で、数時間アニールすることでドナー化を起こすが、レーザアニールの場合、温度が上昇してから下降するまでの時間が１μｓと極めて短い時間であるため、シリコンが溶融状態かそれに近い状態となることが必要である。本発明によれば、深さが３０μｍ以下であればシリコンの融点を超えるので、レーザアニールによってプロトンをドナー化することができる。従って、Ｘｐは３０μｍ以下が好ましいことがわかる。
【００９８】
一方、ＹＡＧ２ωレーザのみを照射した場合、図７−２に示すように、シリコンの融点を超えるのは、５μｍの深さまでであり、経過時間が２００ｎｓ以降になると、シリコンの融点より低くなる。このように、５μｍの深さまでしか、プロトンをドナー化することができないため、飛程が５μｍより深い場合、十分にドナー化することができない。プロトンの飛程が１μｍ以下となるような１００ｋｅＶ以下の加速電圧では第１バッファ層がフィールドストップ層としての機能を果たすため、図６に示すように漏れ電流良品率が９０％以上となる。しかしながら、加速電圧が１００ｋｅＶより大きくなると、Ｎ+第１バッファ層のドナー積分濃度が、フィールドストップ層としての機能を果たすために必要なドナー積分濃度（１．２×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上）とならず、かつ欠陥がウェハ内でばらつくため、オフ状態で空乏層がＰ+コレクタ層に達してしまい、漏れ電流が増加する。このため、図６に示すように漏れ電流良品率が低下してしまう。
【００９９】
また、ＡｌＧａＡｓレーザのみを照射した場合、図７−３に示すように、シリコンの融点を超えるのは、５μｍの深さまでである。また、１μｍの深さでも、経過時間が２００ｎｓ以降になると、シリコンの融点より低くなる。したがって、プロトンがドナー化するのは１μｍ以下の深さのみである。この場合、加速電圧が１００ｋｅＶでもプロトンをドナー化することができず、フィールドストップ層としての機能を果たすことのできないＮ+第１バッファ層を有するチップが多く形成される。このため、図６に示すように漏れ電流良品率が低下してしまう。
【０１００】
このように、ＹＡＧ２ωレーザとＡｌＧａＡｓレーザを同時に照射することで、シリコンの融点を超える深さが、それぞれのレーザを照射した場合にシリコンの融点を超える深さを足し合わせた以上の深さとなる。この理由は、ＹＡＧ２ωレーザ等の短波長のレーザの照射により生じた溶融状態および温度分布を、ＡｌＧａＡｓレーザ等の長波長のレーザにより、より深い領域にノックオンするような非線形の相乗効果（以下、「ノックオン効果」という）が生じていると考えられる。短波長のレーザの侵入長は、１μｍ程度、好ましくは０．３〜５μｍである。具体的には、ＹＡＧ２ω、ＹＶＯ4２ω、ＹＬＦ２ω等の波長が５００ｎｍ前後の固体パルス（全固体）レーザが好ましく、エキシマレーザやヘリウムネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ等の気体レーザ、または、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体レーザでもよい。高い出力パワーが必要であるため、現実的には気体レーザよりも固体パルスレーザがよい。
【０１０１】
また、長波長のレーザの侵入長は、１０μｍ程度、好ましくは５μｍ以上３０μｍである。具体的には、ＡｌXＧａ1-XＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓ等の波長が７００〜３５００ｎｍの半導体レーザが好ましい。ここで半導体レーザの元素に付すXは、ストイキオメトリー（正規組成）であり、この調整により波長を上述の範囲で制御することができる。長波長のレーザは、ルビーレーザでもよい。これらは、連続した発振をおこなうことができる。また、ＹＡＧ、ＹＶＯ4、ＹＬＦ等の基準振動数の固体パルスレーザでもよい。
【０１０２】
なお、短波長レーザまたは長波長レーザは、シリコンへの侵入長が同様であれば、上記以外のレーザを用いてもよい。
【０１０３】
また、比較として、従来型の電気炉によってアニール処理をおこなった１２００Ｖクラスの半導体装置における、アニール温度に対する漏れ電流を測定した結果を図８に示す。図８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。ここで、電気炉によってアニール処理をおこなう場合、レーザによるアニール処理とは異なり、ウェハ全体が同程度の温度となる。
【０１０４】
なお、図８に示す従来型の半導体装置では、プロトンドナーの濃度がアニール温度に応じて変化して、漏れ電流が変化することがないように、リンにより形成されたフィールドストップ層が設けられている。電気炉におけるアニール処理の時間は、例えば１時間である。
【０１０５】
図８に示すように、プロトンを照射したのみで、熱処理をおこなわなかったデバイスの漏れ電流は約２０μＡである（図８において左端のプロット）。このように漏れ電流が高くなる理由は、空乏層がプロトンの飛程領域に達することで、飛程領域にある多量の欠陥による深い準位（ミッドキャップから０．２ｅＶ程度）の準位密度が多くなり、飛程領域のライフタイムが低くなる（約１０ｎｓ）ためである。
【０１０６】
一方、熱処理温度が３００℃より高くなると、急激に漏れ電流が低下し、４００℃以上では１０ｎＡオーダーとなり、ほぼプロトンを照射していないときの漏れ電流の値と同様の値に収束している。これは、４００℃以上の温度では、プロトンの照射によって導入された欠陥がほぼ回復して深い準位が消滅し、そのためライフタイムがバルクのライフタイム（５０μｓ以上）と同じ値まで高くなったことを示している。すなわち、飛程領域が４００℃程度になれば、ライフタイムは十分大きくなる。
【０１０７】
これに対し、実施の形態１にかかる半導体装置によれば、図７−１に示すように、照射面から５０μｍ未満の領域では、レーザ照射後の温度が６００℃以上となり、３０μｍ未満ではシリコンが溶融する。このことから、少なくともプロトンの飛程領域では、深い準位が消滅し、ライフタイムがバルクの値まで回復する。また、ドナーを示す浅い準位（シャロードナー）は、消滅しない。この理由は、電気炉によるアニール処理とは異なり、溶融温度の保持時間が１０μｓ未満と極めて短いためである。このことから、実施の形態１にかかる半導体装置によれば、従来型の半導体装置とは異なり、ライフタイムを低減させずに、シャロードナーを形成することができるため、ライフタイムの低下に起因する導通損失の増加を抑制することができる。
【０１０８】
次に、実施の形態１にかかる半導体装置と、従来の、電気炉によってアニール処理をおこなった半導体装置と、の拡がり抵抗を測定した。従来の半導体装置においては、図２−１〜図２−３の処理をおこなった後、すなわちプロトンを照射した後に、電気炉によって３５０℃で１時間のアニール処理をおこなった。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９に示す。図９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、すなわち深さである。図９に示すように、本発明のキャリア濃度のピーク値は、従来例のネットドーピング濃度のピーク値と同様に、４．０５×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。一方、本発明のネットドーピング濃度の半値幅は、３．８μｍであり、従来例のネットドーピング濃度の半値幅（１．８μｍ）の約２．１倍広い値である。この理由は、前述したノックオン効果のためである。
【０１０９】
次に、第１バッファ層のネットドーピング濃度のピーク値と、半値幅と、を乗じた値に対する漏れ電流良品率について説明する。図１０は、ネットドーピング濃度のピーク値と、半値幅と、を乗じた値に対する漏れ電流良品率について示すグラフである。ネットドーピング濃度のピーク値は、図９に示すピーク値である。ここで、電界強度がフィールドストップ層で低下する割合は、フィールドストップ層の積分濃度によって決まる。イオン注入によって形成されたフィールドストップ層の濃度は、ほぼガウス分布に従う。ここで、フィールドストップ層の積分濃度をより簡易で正確に計算する方法として、フィールドストップ層を三角形とみなし、半値幅を底辺、ピーク濃度を高さとして、半値幅にピーク濃度を乗じて２で割った値を、フィールドストップ層の積分濃度として近似する方法を用いる。以下、この値を「Ｆ値」とする。図９に示す数値によってＦ値を算出した結果を図１０に示す。図１０に示すように、Ｆ値が５．０×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上で、漏れ電流良品率が９０％以上となる。したがって、Ｆ値は、５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上がよく、好ましくは６×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上がよい。この理由は、Ｆ値が５×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上あることで、フィールドストップ層が空乏層を止めるからである。また、キャリア濃度のピーク値が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の場合、半値幅は２．５μｍ以上がよく、好ましくは３μｍ以上がよい。この理由は、フィールドストップ層がこれらの範囲であることで、空乏層を止めるからである。
【０１１０】
実施の形態１によれば、ウェハのおもて面に表面構造を形成し、ウェハの裏面を研削した後に、ウェハの裏面にプロトンを照射し、さらに、ウェハの裏面に異なる波長の２種類のレーザを同時に照射することで、ウェハのおもて面の表面構造に影響を与えずに、ウェハの裏面から深い位置にフィールドストップ層を形成することができる。したがって、素子がオフ状態のときに、コレクタ−エミッタ間に高電圧が印加されてアバランシェ電流が流れ始めても、Ｎ+フィールドストップ層のネットドーピング濃度が極大となる位置から、第２Ｎバッファ層とＰ+コレクタ層との界面までの距離が長いため、空乏層の端部からＰ+コレクタ層までの距離が長くなる。このため、電流が素子の１箇所に集中せず、スナップバック現象を防ぐことができる。これによって、スナップバック現象によって素子が破壊されることを防ぐことができる。
【０１１１】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる半導体装置について説明する。実施の形態２にかかる半導体装置は、実施の形態１と異なり、プロトン以外のイオンを注入することによりＮ+第１バッファ層が形成されている。図１１〜図１３は、それぞれ、ヘリウムイオン（Ｈｅ2+）、リチウムイオン（Ｌｉ3+）、酸素イオン（Ｏ+）を注入したときの加速電圧に対する、それぞれのイオンの飛程および漏れ電流良品率を測定した結果を示す説明図である。図１１〜図１３において、縦軸の左軸はプロトンの飛程、縦軸の右軸は漏れ電流良品率であり、横軸は加速電圧である。また、各イオンのドーズ量は１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。
【０１１２】
また、ＹＡＧ２ωレーザ（波長：５３２ｎｍ、侵入長λｐ１：１．５μｍ）とＧａＡｓ系の半導体レーザであるＡｌＧａＡｓレーザ（波長：８０８ｎｍ、侵入長λｐ２：１０μｍ）を同時に照射した場合の漏れ電流良品率を太実線で示す。さらに、各イオンの飛程を細一点鎖線で示す。
【０１１３】
図１１に示すように、ヘリウムイオンを注入した場合、図６に示すプロトンを注入した場合と比べて、９０％以上の漏れ電流良品率を示す加速電圧の領域が狭く、約９００ｋｅＶ〜３ＭｅＶである。この理由は、細一点鎖線で示すヘリウムイオンの飛程が、図６の細一点鎖線で示すプロトンの飛程よりも浅く、ノックオン効果が生じ難いためである。
【０１１４】
また、図１２に示すように、リチウムイオンを注入した場合、図６に示すプロトンを注入した場合と比べて、９０％以上の漏れ電流良品率を示す加速電圧の領域が狭く、約１．２ＭｅＶ〜３ＭｅＶである。
【０１１５】
さらに、図１３に示すように、酸素イオンを注入した場合、９０％以上の漏れ電流良品率を示す加速電圧の領域が、約７ＭｅＶ〜２０ＭｅＶである。ここで、加速電圧を１ＭｅＶ以上にする場合には、例えば、タンデム型の静電加速器が用いられ、加速電圧を１０ｋｅＶ以上にする場合には、例えば、円形加速器（サイクロトロン）が用いられる。
【０１１６】
なお、酸素よりも重い、例えば、リン（Ｐ）やセレン（Ｓｅ）を注入する場合、加速電圧をＭｅＶクラスで照射しても、飛程は１μｍ以下となるため、現状の実用的な設備では、飛程を所望する深さにすることができない。
【０１１７】
したがって、実施の形態２によれば、プロトンの他に注入される元素としては、ヘリウムイオン、リチウムイオンまたは酸素イオンが好ましいことがわかる。また、加速電圧は、図６、図１１〜図１３に示すように、最小値が２００ｋｅＶであり、最大値が３０ＭｅＶであることが好ましく、プロトンが注入された場合、加速電圧は、最大値が２ＭｅＶであることが好ましいことがわかる。
【０１１８】
（実施の形態３）
図１４は、実施の形態３にかかる半導体装置の構成およびネットドーピングを示す図である。図１４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３の半導体装置は、図１に示す実施の形態１の半導体装置において、Ｎ第２バッファ層１２とＰ+コレクタ層３の間に、Ｎ第２バッファ層１２よりも高濃度である、Ｎ+カソードバッファ層２２（第７半導体層）を設けたものである。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１９】
一例として、実施の形態３の半導体装置の各部のネットドーピング濃度および寸法を例示する。ただし、実施の形態１で例示した値と異なる値のみ説明する。図１４においてエミッタ電極からの距離−ネットドーピング濃度（ｌｏｇ）の特性図２１０に示すように、Ｎ+カソードバッファ層２２のネットドーピング濃度は、Ｎ+第１バッファ層２のネットドーピング濃度よりも高い。
【０１２０】
また、Ｎ+第１バッファ層２のネットドーピング濃度がピークの位置から、Ｐ+コレクタ層３とコレクタ電極９との界面までの距離、すなわちプロトンの飛程Ｒｐは、１８μｍである。Ｎ第２バッファ層１２とＮ+カソードバッファ層２２との界面から、Ｐ+コレクタ層３とコレクタ電極９との界面までの距離、すなわちＮ+カソードバッファ層２２の厚さは、１μｍである。Ｎ+カソードバッファ層２２とＰ+コレクタ層３との界面から、Ｐ+コレクタ層３とコレクタ電極９との界面までの距離、すなわちＰ+コレクタ層３の厚さは、０．５μｍである。
【０１２１】
実施の形態３によれば、Ｎ+カソードバッファ層２２によって、エミッタ側からドリフト層中に広がった空乏層を、より確実にＰ+コレクタ層３に達する前に止めることができる。これによって、バッファ層の形成不全を防ぐことができるため、漏れ電流良品率がさらに向上することとなる。
【０１２２】
図１５は、実施の形態１〜実施の形態３にかかる半導体装置と、従来のフィールドストップ層の形成された半導体装置のターンオフ波形を示す図である。図１５において実施の形態１〜実施の形態３にかかる半導体装置のコレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃを太実線で示す。また、従来のフィールドストップ層の形成された半導体装置（図１９参照）のコレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃを細破線で示す。
【０１２３】
図１５に示したターンオフ波形は、いずれも図１６に示すスナバレス回路２２０における波形図である。スナバレス回路２２０は、単相のチョッパー回路であり、Ｄ．Ｕ．Ｔに本発明のＩＧＢＴを配置している。スナバレス回路２２０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２００ｎＨである。また、スナバレス回路２２０のゲート抵抗は１０Ωであり、ゲート駆動電圧は±１５Ｖである。
【０１２４】
実施の形態１〜実施の形態３にかかる半導体装置によれば、図１５に示すように、発振が発生せず、スムーズなスイッチング波形を示している。発振が発生しない理由は、ターンオフ時の余剰キャリアの枯渇を防ぐからである。これに対し、従来の半導体装置の場合、空乏層の拡張によってキャリアが掃出され、余剰キャリアの枯渇が生じているため、サージ電圧が５０Ｖ増加して発振している。これは、特開２００３−３１８４１２号公報に開示されている、いわゆる空間電荷領域のピン止め効果と同様の現象である。
【０１２５】
（実施の形態４）
図１７は、実施の形態４にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度を示す図である。図１７において半導体装置の断面図３００に示すように、例えば第１半導体層であるＮ-ドリフト層３１の一方の主面側（第１主面側）に、第２半導体層であるＮ+カソードバッファ層３２と、第３半導体層であるＮ++カソード層３３と、がこの順に形成されている。また、Ｎ-ドリフト層３１の他方の主面側（第２主面側）に、第４半導体層であるＰアノード層３４が形成されている。Ｐアノード層３４の表面には、第１電極であるアノード電極３８が形成されている。また、Ｎ++カソード層３３の表面には、第２電極であるカソード電極３９が形成されている。このような構造のため、実施の形態４にかかる半導体装置は、ダイオードとしての機能を果たす。
【０１２６】
図１７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３１０に示すように、Ｎ+カソードバッファ層３２のネットドーピング濃度は、Ｎ+カソードバッファ層３２とＮ-ドリフト層３１との界面付近にピークを有し、Ｎ-ドリフト層３１のネットドーピング濃度よりも高い。また、Ｎ+カソードバッファ層３２は、Ｎ+カソードバッファ層３２とＮ++カソード層３３との界面に向かって傾きを持って減少している。また、Ｎ++カソード層３３とＰアノード層３４のネットドーピング濃度は、ともにＮ-ドリフト層３１およびＮ+カソードバッファ層３２のネットドーピング濃度よりも高い。
【０１２７】
このように、本発明をダイオードに適用することで、低損失だけでなく発振を抑えた逆回復動作が実現できる。逆回復時は、ターンオフと同様に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、実施の形態４にかかる半導体装置によれば、キャリアの急激な消滅を抑えることができる。したがって、発振のないスムーズな逆回復が可能となる。
【０１２８】
一方、実施の形態１〜実施の形態３に示すように、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。ターンオフ時には、ウェハ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。
【０１２９】
図１８−１および図１８−２は、実施の形態１〜４のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。図１８−１および図１８−２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１８−１は、コンバーター部にダイオードを適用した例であり、図１８−２は、コンバーター部にＩＧＢＴを適用した例である。インバータ部には共にＩＧＢＴを適用している。ＩＧＢＴにはフリーホイリングダイオード（ＦＷＤ）がそれぞれ並列に接続されている。
【０１３０】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や濃度、電圧値や電流値、温度や時間等の処理条件などの種々の値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、各実施の形態では第１導電型をＮ型とし、第２導電型をＰ型としたが、本発明は第１導電型をＰ型とし、第２導電型をＮ型としても同様に成り立つ。
【０１３１】
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、ウェハの比抵抗は８０〜２００Ωｃｍであり、ウェハの最終厚さが１２０〜２００μｍである。３３００Ｖクラスの場合には、ウェハの比抵抗は２００〜５００Ωｃｍであり、ウェハの最終厚さが２５０〜４００μｍである。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
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】
【０１３３】
【図１】実施の形態１にかかる半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。
【図２−１】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】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】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】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】実施の形態１にかかる半導体装置の製造プロセスおよびネットドーピング濃度のプロファイルを示す図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体装置のＮ-ドリフト層の中央付近からコレクタ電極までの各部の寸法およびネットドーピング濃度について示す図である。
【図４】コレクタ−エミッタ間電圧と、コレクタ電流の増幅割合と、の関係を示す特性図である。
【図５】実施の形態１にかかる半導体装置の拡がり抵抗をキャリア濃度に換算した結果を示す図である。
【図６】プロトンを注入したときの加速電圧に対する、プロトンの飛程および漏れ電流良品率を測定した結果を示す図である。
【図７−１】レーザの照射を終了した時点からの経過時間に対する、ウェハ表面からの深さにおける温度を示す特性図である。
【図７−２】レーザの照射を終了した時点からの経過時間に対する、ウェハ表面からの深さにおける温度を示す特性図である。
【図７−３】レーザの照射を終了した時点からの経過時間に対する、ウェハ表面からの深さにおける温度を示す特性図である。
【図８】従来の半導体装置における、電気炉によるアニール温度に対する漏れ電流を測定した結果を示す図である。
【図９】実施の形態１にかかる半導体装置および従来の半導体装置の拡がり抵抗をキャリア濃度に換算した結果を示す図である。
【図１０】ネットドーピング濃度のピーク値と、半値幅と、を乗じた値に対する漏れ電流良品率について示す図である。
【図１１】ヘリウムイオンを注入したときの加速電圧に対する、飛程および漏れ電流良品率を測定した結果を示す説明図である。
【図１２】リチウムイオンを注入したときの加速電圧に対する、飛程および漏れ電流良品率を測定した結果を示す説明図である。
【図１３】酸素イオンを注入したときの加速電圧に対する、飛程および漏れ電流良品率を測定した結果を示す説明図である。
【図１４】実施の形態３にかかる半導体装置の構成およびネットドーピングを示す図である。
【図１５】本発明にかかる半導体装置および従来の半導体装置のターンオフ波形を示す図である。
【図１６】スナバレス回路について示す図である。
【図１７】実施の形態４にかかる半導体装置の構成、ネットドーピング濃度を示す図である。
【図１８−１】本発明のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。
【図１８−２】本発明のＩＧＢＴやダイオードの適用例を示す図である。
【図１９】従来の、フィールドストップ層の形成された半導体装置の構成およびネットドーピング濃度を示す図である。
【図２０】シリコンに対してプロトンを照射したときの、プロトンの飛程Ｒｐと、照射後の水素の分布における半値幅ΔＲｐを、ＳＲＩＭ２００６により計算した結果である。
【符号の説明】
【０１３４】
１  Ｎ-ドリフト層
２  Ｎ+第１バッファ層（Ｎ+フィールドストップ層）
３  Ｐ+コレクタ層
４  Ｐベース層
５  Ｎソース層
６  ゲート絶縁膜
７  ゲート電極
８  エミッタ電極
９  コレクタ電極
１０  ＦＺウェハ
１１  絶縁膜
１２  Ｎ第２バッファ層
１３  高濃度領域
【図１】
0005365009.tif 000002
【図２−１】
0005365009.tif 000003
【図２−２】
0005365009.tif 000004
【図２−３】
0005365009.tif 000005
【図２−４】
0005365009.tif 000006
【図２−５】
0005365009.tif 000007
【図３】
0005365009.tif 000008
【図４】
0005365009.tif 000009
【図５】
0005365009.tif 000010
【図６】
0005365009.tif 000011
【図７−１】
0005365009.tif 000012
【図７−２】
0005365009.tif 000013
【図７−３】
0005365009.tif 000014
【図８】
0005365009.tif 000015
【図９】
0005365009.tif 000016
【図１０】
0005365009.tif 000017
【図１１】
0005365009.tif 000018
【図１２】
0005365009.tif 000019
【図１３】
0005365009.tif 000020
【図１４】
0005365009.tif 000021
【図１５】
0005365009.tif 000022
【図１６】
0005365009.tif 000023
【図１７】
0005365009.tif 000024
【図１８−１】
0005365009.tif 000025
【図１８−２】
0005365009.tif 000026
【図１９】
0005365009.tif 000027
【図２０】
0005365009.tif 000028