(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型導電型の半導体領域からなる第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一方の主面にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型導電型の半導体領域からなる第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の所定の表面領域に形成されたｐ型導電型の半導体領域からなる第３半導体領域と、を有する半導体基板を備え、
前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、及び、前記第３半導体領域には、金からなるライフタイムキラーが導入され、
前記第２半導体領域の所定の表面領域にリンが拡散され、
前記第１半導体領域の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第１半導体領域は砒素が拡散されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記半導体基板は、前記第２半導体領域の所定の表面領域に、前記第３半導体領域を包囲するように形成されたフィールドリミティングリングを、さらに備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記半導体基板は、前記第２半導体領域の所定の表面領域に、前記フィールドリミティングリングを介して前記第３半導体領域を包囲するように形成されたチャネルストッパを、さらに備える、ことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記チャネルストッパはリンが拡散されている、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に関し、詳しくは、ライフタイムキラーとして、金（Ａｕ）が導入された半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、例えば、ファーストリカバリダイオード（高速ダイオード）のようなスイッチング素子の重要な素子特性の一つにスイッチングスピートがある。半導体素子のスイッチングスピートを向上させるには、例えば、キャリアのライフタイムを短くする方法が知られている。この方法は、半導体基板にライフタイムキラーとしての重金属を熱拡散して半導体基板内に結晶欠陥が生じさせることにより、キャリアの再結合中心を形成し、キャリアのライフタイムを短縮するものである。
【０００３】
このようなライフタイムキラーとしての重金属には、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等があり、半導体素子に求められる特性に合わせて最適な重金属が使用される。例えば、ライフタイムキラーとしてＡｕを使用した場合、ＡｕはＰｔ等の重金属に比較してバンドギャップの再結合捕獲中心準位が深いため、逆回復時間の温度依存性が小さいという特徴がある。このため、高温でも逆回復時間を比較的短くすることができ、良好なスイッチング特性を得ることができる。また、ソフトリカバリー特性を示すという特徴もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ｎ型不純物としてのリンが含まれる半導体基板に、ライフタイムキラーとしてＡｕを使用した場合には、順方向電圧のばらつきが大きくなってしまうという問題がある。これは、ライフタイムキラーとして拡散されたＡｕの濃度が局所的に増大し、半導体基板内の不純物濃度を見かけ上減少させてしまうためと考えられる。
【０００５】
特に、半導体基板の表面にｎ型の不純物としてのリンを拡散させてｎ型半導体領域（例えば、チャネルストッパ）を形成すると、順方向電圧のばらつきが大きくなってしまう。このような現象は、ライフタイムキラーとしてＡｕを使用した場合に発生し、例えば、ライフタイムキラーとしてＰｔを使用した場合には発生しない。
【０００６】
さらに、カソード領域を構成するｎ型半導体領域にｎ型不純物としての砒素（Ａｓ）が拡散されている場合には、酸素を取り込みやすく、順方向電圧のばらつきが顕著に大きくなってしまう。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ライフタイムキラーとして、金（Ａｕ）を使用した場合に、順方向電圧のばらつきを抑制することができる半導体素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体素子は、ｎ型導電型の半導体領域からなる第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一方の主面にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型導電型の半導体領域からなる第２半導体領域と、前記第２半導体領域の所定の表面領域に形成されたｐ型導電型の半導体領域からなる第３半導体領域と、を有する半導体基板を備え、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、及び、前記第３半導体領域には、金からなるライフタイムキラーが導入され、前記第２半導体領域の所定の表面領域にリンが拡散され、前記第１半導体領域の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、半導体基板はリンを含むとともに、金からなるライフタイムキラーが導入され、さらに第１半導体領域の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３以下である。このため、第１半導体領域の一方の主面に第２半導体領域をエピタキシャル成長によって形成しても、第１半導体領域の一方の主面側に酸素が析出せず、第２半導体領域に酸素が拡散されない。したがって、順方向電圧のばらつきが抑制される。
【００１１】
前記第１半導体領域は砒素が拡散されていることが好ましい。第１半導体領域に砒素が拡散されていると酸素を取り込みやすいので、順方向電圧のばらつきが顕著に大きくなりやすく、本発明の顕著な効果が得られるためである。
【００１２】
前記半導体基板は、前記第２半導体領域の所定の表面領域に、前記第３半導体領域を包囲するように形成されたフィールドリミティングリングを、さらに備えてもよい。この場合、ｐｎ接合により形成される空乏層をフィールドリミティングリングの外周側にまで広げることができ、半導体素子の高耐圧化を図ることができる。
【００１３】
前記半導体基板は、前記第２半導体領域の所定の表面領域に、前記フィールドリミティングリングを介して前記第３半導体領域を包囲するように形成されたチャネルストッパを、さらに備えてもよい。この場合、空乏層内の電界集中を防ぎ、これにより接合リーク電流を低下させ、半導体素子の安定動作が確保される。前記チャネルストッパは、例えば、リンが拡散されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体素子について、いわゆるフィールドリミティングリング（ＦＬＲ）及びチャネルストッパを有するファーストリカバリダイオード（以下、「ダイオード」という）の場合を例にして説明する。図１に、本実施の形態のダイオードの断面図を示す。
【００１５】
図１に示すように、ダイオード１は、半導体基板２と、絶縁膜３と、上部電極４と、下部電極５と、を備えている。
【００１６】
半導体基板２は、第１半導体領域としてのｎ＋型半導体領域６と、第２半導体領域としてのｎ型半導体領域７と、第３半導体領域としてのｐ型半導体領域８と、フィールドリミティングリング（ＦＬＲ）９と、チャネルストッパ１０と、を備えている。
【００１７】
半導体基板２は、ライフタイムキラーとしての金（Ａｕ）が導入されている。ライフタイムキラーとしてのＡｕは、ｎ＋型半導体領域６と、ｎ型半導体領域７と、ｐ型半導体領域８と、ＦＬＲ９と、チャネルストッパ１０とが形成された半導体基板２の所定の主面に蒸着、熱拡散させることにより、半導体基板２内の深さ方向全体に導入される。このように、Ａｕが半導体基板２内に導入されるのは、Ａｕが半導体基板２内に導入されるのに十分な大きさの拡散係数を有しているためである。
【００１８】
ｎ＋型半導体領域６は、ｎ＋型のシリコン単結晶基板から構成され、カソードコンタクト領域として機能する。ｎ＋型半導体領域６は、その一方の主面、例えば、上面にｎ型半導体領域７をエピタキシャル成長させるための出発母材及び支持部材として機能する。このため、ｎ＋型半導体領域６は、比較的肉厚、例えば、２００μｍ〜５００μｍに形成されている。ｎ＋型半導体領域６はｎ型の不純物としての砒素が１．０×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０２０ｃｍ−３程度のように比較的高濃度に拡散され、ｎ型半導体領域７よりも高く設定されている。本実施の形態では、１．０×１０１９ｃｍ−３〜８．０×１０１９ｃｍ−３程度とした。
【００１９】
また、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度は、１．１×１０１８ｃｍ−３以下、好ましくは７．０×１０１７ｃｍ−３〜１．１×１０１８ｃｍ−３に設定されている。ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が７．０×１０１７ｃｍ−３より低くなると、ｎ＋型半導体領域６の製造が困難になるためである。例えば、単結晶の製造法がチョクラルスキー法（ＣＺ法）の場合は歩留りが悪く、生産ができなくなってしまうためである。一方、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３より高くなると、順方向電圧のばらつきを抑制することができなくなるためである。本実施の形態では、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度は、８．８×１０１７ｃｍ−３に設定されている。
【００２０】
ｎ型半導体領域７は、ｎ＋型半導体領域６上に形成されている。ｎ型半導体領域７は、一般的なエピタキシャル成長方法によって形成され、カソード領域として機能する。ｎ型半導体領域７は、ｎ型の不純物が４．０×１０１３ｃｍ−３〜８．０×１０１４ｃｍ−３程度のように比較的低濃度に拡散され、ｎ＋型半導体領域６より不純物濃度の低いｎ型の半導体領域から構成されている。また、ｎ型半導体領域７の厚さは、２０μｍ〜８０μｍに形成されている。
【００２１】
ｐ型半導体領域８は、ｎ型半導体領域７の所定の表面領域に形成されている。ｐ型半導体領域８は、一般的な不純物拡散方法によって形成されている。例えば、ｐ型の不純物（例えば、ボロン）をｎ型半導体領域７の上面の所定の領域に選択的に導入することにより、ｎ型半導体領域７の上面の所定の表面領域にボロンが拡散され、この所定の表面領域にｐ型半導体領域８が形成される。ｐ型半導体領域８の拡散深さは５μｍ〜３０μｍであり、不純物濃度は１．０×１０１７ｃｍ−３〜１．０×１０１９ｃｍ−３程度である。このｐ型半導体領域８は、ダイオード１のアノード領域として機能する。
【００２２】
フィールドリミティングリング（ＦＬＲ）９は、ｎ型半導体領域７の上面に、ｐ型半導体領域８を包囲するように環状に形成されている。ＦＬＲ９は、一般的な不純物拡散方法によって形成されている。例えば、ｐ型半導体領域８と同じｐ型の不純物（例えば、ボロン）を、ｎ型半導体領域７の上面に形成されるｐ型半導体領域８を包囲するように環状に導入することによりＦＬＲ９が形成される。このＦＬＲ９は、例えば、ｐ型半導体領域８を形成する工程で、同じｐ型の不純物（例えば、ボロン）を拡散することにより形成される。このため、ＦＬＲ９とｐ型半導体領域８とは、その拡散深さ、不純物濃度等が実質的に等しくなっている。
【００２３】
ＦＬＲ９は、ｎ型半導体領域７とｐ型半導体領域８との間のｐｎ接合により形成される空乏層をＦＬＲ９の外周側にまで広げ、ダイオード１の高耐圧化を図ることができる。本実施の形態では、図１に示すように、２つのＦＬＲ９が形成されているが、ＦＬＲ９の数を多くするほど、ダイオード１を高耐圧化させることができるので、ダイオード１に必要な耐圧に応じてＦＬＲ９を所定数形成することが好ましい。
【００２４】
チャネルストッパ１０は、ｎ型半導体領域７の上面の外縁に、ＦＬＲ９を介してｐ型半導体領域８を包囲するように環状に形成されている。チャネルストッパ１０は、一般的な不純物拡散方法によって、ｎ型の不純物としてのリンを、ｎ型半導体領域７の上面の外縁に、ＦＬＲ９を介してｐ型半導体領域８を包囲するように環状に導入することにより形成されている。このため、チャネルストッパ１０の不純物濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３〜１．０×１０１９ｃｍ−３程度のように、ｎ型半導体領域７の不純物濃度より高くなっている。また、チャネルストッパ１０の拡散深さは５μｍ〜３０μｍである。このように、ｎ型半導体領域７の上面の外縁にチャネルストッパ１０を形成することにより表面近傍のチャネル現象を防ぎ、これにより表面リーク電流を低下させ、ダイオード１の安定動作が確保される。
【００２５】
絶縁膜３は、ｎ型半導体領域７、ＦＬＲ９及びチャネルストッパ１０の上面と、ｐ型半導体領域８の上面の外周側と、を被覆するように形成されている。本実施の形態では、絶縁膜３に、例えば、熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜が用いられている。
【００２６】
上部電極４は、ｐ型半導体領域８の上面に形成されている。上部電極４は、金属膜からなるアノード電極を構成し、ｐ型半導体領域８（アノード領域）に電気的に接続されている。
【００２７】
下部電極５は、ｎ＋型半導体領域６の下面に形成されている。下部電極５は、金属膜からなるカソード電極を構成し、ｎ＋型半導体領域６（カソードコンタクト領域）に電気的に接続されている。
【００２８】
以上のように構成されたダイオード１は、半導体基板２にライフタイムキラーとしての金（Ａｕ）が導入され、半導体基板２（ｎ型半導体領域７）の上面にリンが拡散されたチャネルストッパ１０が形成され、ｎ＋型半導体領域６に砒素が拡散されているが、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が８．８×１０１７ｃｍ−３であり、１．１×１０１８ｃｍ−３以下に設定されているので、順方向電圧のばらつきを抑制することができる。このように、順方向電圧のばらつきを抑制することができるのは、以下の理由により、順方向電圧がばらつくと考えられるためである。
【００２９】
ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３を超えると、ｎ＋型半導体領域６の上面にｎ型半導体領域７をエピタキシャル成長させるときに、ｎ＋型半導体領域６の上面側に酸素が析出する。特に、ｎ＋型半導体領域６に砒素が拡散されていると、ｎ＋型半導体領域６に酸素が取り込まれやすいので、ｎ＋型半導体領域６の上面側に酸素が析出されやすくなる。この析出された酸素は、エピタキシャル成長層に取り込まれ、ｎ型半導体領域７に拡散する。そして、拡散された酸素は、ｎ型半導体領域７中にリンが拡散して形成された自己格子間原子によって収縮される。特に、ｎ型半導体領域７の表面領域にリンが拡散しているチャネルストッパ１０が形成されていると、ｎ型半導体領域７中に自己格子間原子が形成されやすく、この傾向が顕著になる。この結果、ｎ型半導体領域７に、より多くのＡｕが引き寄せられて、ｎ型半導体領域７の置換型のＡｕ濃度がＡｕの固溶限度にまで上昇してしまう。このＡｕは、ｎ型半導体領域７内でｐ型の不純物として機能する。このため、ｎ型半導体領域７のｎ型不純物濃度が事実上低下して、シリーズ抵抗が増大し、この結果、順方向電圧のばらつきが大きくなると考えられるためである。
【００３０】
本実施の形態では、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が８．８×１０１７ｃｍ−３に設定されており、１．１×１０１８ｃｍ−３以下なので、ｎ＋型半導体領域６の上面側への酸素の析出、及びエピタキシャル成長層への酸素の取り込みが抑制される。このため、ｎ型半導体領域７に酸素が拡散せず、順方向電圧のばらつきを抑制することができる。
【００３１】
本発明の効果を確認するため、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度を変化させたダイオード１について、順方向電圧のばらつきを求めた。本実施の形態では、順方向電圧のばらつきを次のように算出した。まず、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が実質的に同一のウエハを１０枚用意する。次に、用意した各ウエハ内に形成されたダイオードの順方向電圧を測定し、各ウエハの順方向電圧の平均値を算出する。そして、算出された平均値の最大値と最小値との差を求め、この値をもって順方向電圧のばらつきとした。結果を図２に示す。
【００３２】
図２に示すように、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３以下になると、順方向電圧のばらつきを０．１Ｖ以下に抑制することができる。このように、順方向電圧のばらつきが０．１Ｖ以下であれば、ダイオード１は十分に実用に供することができ、順方向電圧のばらつきが問題とはならない。一方、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３を超えると、順方向電圧のばらつきが０．１Ｖを超えてしまい、ダイオード１は実用に供することができない。
【００３３】
本実施の形態のように、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度を１．１×１０１８ｃｍ−３以下である、８．８×１０１７ｃｍ−３に設定した場合には、順方向電圧のばらつきが０．００６Ｖになり、順方向電圧のばらつきを抑制することができる。一方、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度が１．１×１０１８ｃｍ−３を超え、例えば、１．５×１０１８ｃｍ−３になると、順方向電圧のばらつきが０．１４Ｖに達してしまい、ダイオード１は実用に供することができなくなる。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ｎ＋型半導体領域６の酸素濃度を１．１×１０１８ｃｍ−３以下に設定したので、順方向電圧のばらつきを抑制することができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、ｎ型半導体領域７の上面に、ｐ型半導体領域８を包囲するように、ＦＬＲ９が環状に形成されているので、ダイオード１の高耐圧化を図ることができる。
【００３６】
本実施の形態によれば、ｎ型半導体領域７の上面の外縁に、ＦＬＲ９を介してｐ型半導体領域８を包囲するように、チャネルストッパ１０が環状に形成されているので、ダイオード１の安定動作を確保することができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
【００３８】
上記実施の形態では、ｎ型半導体領域７の上面（表面領域）にリンが拡散されたチャネルストッパ１０を形成した場合を例に本発明を説明したが、例えば、チャネルストッパ１０を形成せずに半導体基板２にリンを導入するように、半導体基板２の内部にリンを拡散してもよい。この場合にも、順方向電圧のばらつきが大きくなりやすく、本発明により順方向電圧のばらつきを抑制することができる。
【００３９】
上記実施の形態では、ｎ＋型半導体領域６に砒素を拡散した場合を例に本発明を説明したが、ｎ＋型半導体領域６にアンチモン等が含まれていてもよい。ただし、ｎ＋型半導体領域６に砒素が含まれていると酸素を取り込みやすいので、本発明の作用効果が顕著に得られる。
【００４０】
上記実施の形態では、ｎ型半導体領域７の上面にＦＬＲ９が形成されている場合を例に本発明を説明したが、例えば、ＦＬＲ９が形成されていなくてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ライフタイムキラーとして金が導入された場合に順方向電圧のばらつきを抑制することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のダイオードの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のｎ＋型半導体領域の酸素濃度と順方向電圧のばらつきとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    ダイオード
２    半導体基板
３    絶縁膜
４    上部電極
５    下部電極
６    ｎ＋型半導体領域
７    ｎ型半導体領域
８    ｐ型半導体領域
９    フィールドリミティングリング（ＦＬＲ）
１０  チャネルストッパ
【図１】
0003951677.tif 000002
【図２】
0003951677.tif 000003