本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2013年3月18日，申請(qǐng)?zhí)枮?01380005459.4，發(fā)明名稱為“半導(dǎo)體裝置的制造方法”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置的制造方法。

背景技術(shù)：

作為電力用半導(dǎo)體裝置，有具有400v、600v、1200v、1700v、3300v或其以上的耐壓的二極管、igbt(insulatedgatebipolartransistor)等。這些電力用半導(dǎo)體裝置被用于轉(zhuǎn)換器和/或逆變器等電力轉(zhuǎn)換裝置。對(duì)電力用半導(dǎo)體裝置要求有低損耗、高效率以及高耐破壞量的特性和低成本。

圖12是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的二極管的截面圖。在n^-型半導(dǎo)體基板1500的主面形成有p型陽(yáng)極層1501，在對(duì)面形成有n⁺型陰極層1502。而且，在p型陽(yáng)極層1501的外周位置形成有成為終端區(qū)域1503的p型的層。在p型陽(yáng)極層1501上設(shè)有陽(yáng)極電極1505，在n⁺型陰極層1502的下表面設(shè)有陰極電極1506。符號(hào)1507為場(chǎng)板，符號(hào)1508為絕緣層。

在該二極管等元件中，為了降低在開關(guān)時(shí)導(dǎo)致噪聲的電壓振動(dòng)，需要從表面?zhèn)认虮趁鎮(zhèn)葘?duì)n^-型半導(dǎo)體基板1500的較深的位置處進(jìn)行摻雜濃度。

作為控制載流子濃度的方法，已知利用了以較低的加速電壓在有機(jī)硅中可得到較深的飛程的質(zhì)子注入的施主生成的方法。該方法是對(duì)含有預(yù)定濃度的氧的區(qū)域進(jìn)行質(zhì)子注入來(lái)形成n型區(qū)域的方法。已知該質(zhì)子注入在有機(jī)硅基板中產(chǎn)生晶體缺陷。施主生成過(guò)程中該晶體缺陷是不可或缺的，但由于缺陷的種類和/或濃度等會(huì)導(dǎo)致漏電流增加而引起電特性變差。

通過(guò)質(zhì)子注入而導(dǎo)入的缺陷不僅大量殘留在質(zhì)子的飛程rp(通過(guò)離子注入而注入的離子以最高濃度存在的位置離注入面的距離)，也大量殘留在從注入面到飛程為止的質(zhì)子的通過(guò)區(qū)域和/或注入面附近。對(duì)于該殘留缺陷而言，原子(此時(shí)為有機(jī)硅原子)從晶格位置的偏差大，另外由于晶格本身的很強(qiáng)烈的紊亂，所以處于接近非晶體的狀態(tài)。因此，殘留缺陷會(huì)成為電子和空穴之類的載流子的散射中心，使載流子遷移率降低，增加導(dǎo)通電阻，除此之外，還成為載流子的產(chǎn)生中心，帶來(lái)使漏電流增加等元件的特性不良。如此，將通過(guò)質(zhì)子的注入而殘留于從質(zhì)子的注入面到飛程的質(zhì)子的通過(guò)區(qū)域并成為載流子遷移率降低和/或漏電流的原因這樣的、從晶體狀態(tài)強(qiáng)烈紊亂的缺陷特別稱為無(wú)序。

如此，無(wú)序使載流子遷移率降低，造成漏電流和/或?qū)〒p耗增加等特性不良。因此，需要一種在抑制漏電流增加的同時(shí)還進(jìn)行施主的生成那樣的適當(dāng)?shù)木w缺陷的控制技術(shù)。

根據(jù)通過(guò)質(zhì)子注入而進(jìn)行的施主生成的方法，已知主要的施主生成重要因素之一是導(dǎo)入到硅中的氫通過(guò)熱處理與氧發(fā)生置換，促進(jìn)氧簇的施主化，所述氧是硅空穴和氧原子結(jié)合而成的vo缺陷中的氧。

在通過(guò)該質(zhì)子注入而進(jìn)行的施主生成中，提高施主生成量的有效辦法是增加導(dǎo)入到硅中的氫量，但如果提高質(zhì)子注入量，則晶體缺陷增大。另外，如果通過(guò)高溫的熱處理使晶體缺陷恢復(fù)，則利用質(zhì)子形成的施主消失。因此，要提高施主生成量，有上述那樣的權(quán)衡的關(guān)系，為了克服該權(quán)衡特性，需要在質(zhì)子注入的方法上組合向硅中導(dǎo)入氫的方法，或在高溫?zé)崽幚硪酝馐咕w缺陷恢復(fù)。

例如，對(duì)于通過(guò)質(zhì)子注入而進(jìn)行的施主生成，公開了如下技術(shù)：關(guān)于質(zhì)子注入量和退火溫度的技術(shù)(例如，參照下述專利文獻(xiàn)1)；對(duì)于通過(guò)質(zhì)子注入而進(jìn)行的施主生成方法，記載有熱處理?xiàng)l件的技術(shù)(例如，參照下述專利文獻(xiàn)2)；關(guān)于通過(guò)借由質(zhì)子注入的施主生成方法而形成的區(qū)域，記載有從注入面起算的深度的技術(shù)(例如，參照下述專利文獻(xiàn)3)。

在專利文獻(xiàn)1的技術(shù)中，將晶閘管硅顆粒主接合形成后，在周邊部局部地進(jìn)行質(zhì)子的離子打入，進(jìn)行低溫?zé)崽幚硎咕w中的質(zhì)子局部地施主化，形成低電阻的通道中止層，在硅基板的難以形成圖案的晶體內(nèi)部的位置，用簡(jiǎn)單的工藝形成通道中止層。

在專利文獻(xiàn)2的技術(shù)中，涉及形成埋設(shè)于半導(dǎo)體基板的阻止區(qū)域的方法，包括如下工序：準(zhǔn)備具有第一面和第二面、且完成了第一傳導(dǎo)型的基本摻雜的半導(dǎo)體基板的工序；向半導(dǎo)體基板中的第一面和第二面的一側(cè)注入質(zhì)子，向與注入面分離地配置的半導(dǎo)體基板的第一區(qū)域?qū)胭|(zhì)子的工序；和對(duì)半導(dǎo)體基板進(jìn)行在預(yù)定時(shí)間加熱到預(yù)定溫度的加熱處理，在第一區(qū)域和在注入面?zhèn)揉徑釉摰谝粎^(qū)域的第二區(qū)域兩者中生成被氫誘導(dǎo)的施主的工序。

在專利文獻(xiàn)3的技術(shù)中，公開了通過(guò)向半導(dǎo)體基板注入質(zhì)子來(lái)形成多個(gè)阻止區(qū)域，其中最深的阻止區(qū)域從注入面形成15μm深度的技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開平9-260639號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2006-0286753號(hào)說(shuō)明書

專利文獻(xiàn)3：美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2006-0081923號(hào)說(shuō)明書

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題

然而，專利文獻(xiàn)1中沒(méi)有關(guān)于氫氣氛退火的詳細(xì)記載。另外，專利文獻(xiàn)2中沒(méi)有記載提高施主生成率的方法。為了通過(guò)質(zhì)子注入來(lái)提高施主生成率，需要向有機(jī)硅中導(dǎo)入更多的氫，但如果提高質(zhì)子注入的劑量，則晶體缺陷增加，引起特性劣化。另外，如果用高溫?zé)崽幚硎咕w缺陷恢復(fù)，則施主消失。由此，在基于質(zhì)子注入的施主生成中，無(wú)法兼顧晶體缺陷降低和施主化率提高。

另外，發(fā)明人等反復(fù)進(jìn)行了深入的研究的結(jié)果了解到，質(zhì)子注入的飛程(通過(guò)離子注入而注入的離子與最高濃度所存在的位置的注入面的距離)超過(guò)如專利文獻(xiàn)3中的15μm時(shí)，質(zhì)子的注入面附近和通過(guò)區(qū)域的無(wú)序的降低不充分。圖13是按飛程來(lái)比較質(zhì)子注入的飛程rp為15μm左右和比它更深的情況下的載流子濃度分布的特性圖。圖13(a)中示出了飛程rp為50μm的情況，圖13(b)中示出了飛程rp為20μm的情況，圖13(c)中示出了飛程rp為15μm的情況。

圖13(c)的飛程rp＝15μm的情況下，質(zhì)子的注入面附近(深度為0μm～5μm)和通過(guò)區(qū)域的載流子濃度變得比有機(jī)硅基板的雜質(zhì)濃度1×10¹⁴(/cm³)高，無(wú)序被充分降低。另一方面，在圖13(b)的飛程rp＝20μm和圖13(a)的飛程rp＝50μm中，可知質(zhì)子的注入面附近和通過(guò)區(qū)域的載流子濃度大幅降低，無(wú)序并未降低。如此，無(wú)序殘留時(shí)，元件的漏電流和/或?qū)〒p耗變高。由此，質(zhì)子注入的飛程rp超過(guò)15μm時(shí)，需要研究降低無(wú)序的新方法。

為了消除由上述現(xiàn)有技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于在基于質(zhì)子注入的施主生成中實(shí)現(xiàn)晶體缺陷降低。另外，其目的在于在基于質(zhì)子注入的施主生成中實(shí)現(xiàn)施主化率提高。

技術(shù)方案

為了解決上述課題，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法具有如下特征。首先，進(jìn)行從第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板的背面注入質(zhì)子的注入工序。在上述注入工序后，進(jìn)行如下的形成工序，即通過(guò)退火爐中對(duì)上述半導(dǎo)體基板進(jìn)行退火處理，從而形成比上述半導(dǎo)體基板具有更高的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體區(qū)域的形成工序。上述退火爐具有用于防止由氫氣引起的爆炸的防爆機(jī)構(gòu)。而且，上述形成工序在使上述退火爐處于氫氣氛，并將該氫的容積濃度設(shè)為6％～30％的條件下進(jìn)行。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述半導(dǎo)體裝置為二極管，上述第一導(dǎo)電型的上述第一半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)閚型的電場(chǎng)終止層，上述半導(dǎo)體基板為陰極層。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述半導(dǎo)體裝置為絕緣柵型雙極晶體管，上述第一導(dǎo)電型的上述第一半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)閚型的電場(chǎng)終止層，上述半導(dǎo)體基板為漂移層。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，將上述氫的容積濃度設(shè)定為能夠使施主生成率以不飽和的方式增加、且能夠提高上述半導(dǎo)體基板的從漂移層到陰極電極為止的區(qū)域的載流子濃度的濃度。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，將上述氫的容積濃度設(shè)定為能夠使施主生成率以不飽和的方式增加、且能夠提高上述半導(dǎo)體基板的從上述漂移層到集電極為止的區(qū)域的載流子濃度的濃度。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述退火處理的退火溫度為300℃～450℃。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述退火處理的退火溫度為330℃～380℃。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述退火處理的處理時(shí)間為1個(gè)小時(shí)～10個(gè)小時(shí)。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述退火處理的處理時(shí)間為3個(gè)小時(shí)～7個(gè)小時(shí)。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述退火處理的處理時(shí)間為5個(gè)小時(shí)以下。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述質(zhì)子注入的質(zhì)子注入量為3×10¹²/cm²～5×10¹⁴/cm²。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，上述質(zhì)子注入的質(zhì)子注入量為1×10¹³/cm²～1×10¹⁴/cm²。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，利用上述防爆機(jī)構(gòu)來(lái)降低上述退火爐的內(nèi)部的氧分壓。

另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，在上述發(fā)明中，將上述質(zhì)子注入的質(zhì)子的注入能量e的對(duì)數(shù)log(e)記為y、將上述質(zhì)子的飛程rp的對(duì)數(shù)log(rp)記為x時(shí)，滿足y＝-0.0047x⁴+0.0528x³－0.2211x²+0.9923x+5.0474。

根據(jù)上述發(fā)明，通過(guò)在氫氣氛中、氫濃度6％～30％的范圍中進(jìn)行質(zhì)子注入后的退火，從而能夠在質(zhì)子注入以外向有機(jī)硅中導(dǎo)入氫。而且，能夠使質(zhì)子通過(guò)位置的晶體缺陷恢復(fù)，能夠防止從上述n型的電場(chǎng)終止層到陰極電極為止的區(qū)域的載流子濃度的下降。

有益效果

根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，在通過(guò)質(zhì)子注入而進(jìn)行的施主生成中，能夠不增加晶體缺陷地向有機(jī)硅基板導(dǎo)入氫，起到不引起由晶體缺陷導(dǎo)致的特性劣化的效果。另外，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，在通過(guò)質(zhì)子注入而進(jìn)行的施主生成中，起到能夠提高施主生成率的效果。

附圖說(shuō)明

圖1是作為本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出二極管的截面圖。

圖2是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之1)。

圖3是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之2)。

圖4是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之3)。

圖5是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之4)。

圖6是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之5)。

圖7是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之6)。

圖8是表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖(之7)。

圖9是表示第1實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的圖表。

圖10是表示施主生成率與氫濃度的關(guān)系的圖表。

圖11是作為應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出igbt的截面圖。

圖12是說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的二極管的截面圖。

圖13是按飛程來(lái)比較質(zhì)子注入的飛程rp為15μm左右和比它更深時(shí)的載流子濃度分布的特性圖。

圖14是關(guān)于使電壓波形開始振動(dòng)的閾值電壓示出的特性圖。

圖15是一般的二極管的反向恢復(fù)時(shí)的振蕩波形。

圖16是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的質(zhì)子的飛程與質(zhì)子的加速能量的關(guān)系的特性圖。

圖17是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的位置條件的圖表。

圖18是表示具有多個(gè)電場(chǎng)終止層的igbt的說(shuō)明圖。

圖19是表示具有多個(gè)電場(chǎng)終止層的二極管的說(shuō)明圖。

圖20是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的載流子壽命的特性圖。

圖21是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的反向恢復(fù)波形的特性圖。

圖22是表示第2實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。

圖23是表示第3實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。

圖24是表示第4實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。

符號(hào)說(shuō)明

100半導(dǎo)體裝置(二極管)

101n^-型半導(dǎo)體基板

101an層(電場(chǎng)終止層)

101bn⁺型陰極層(n⁺層)

102p型陽(yáng)極層

104終端區(qū)域

105陽(yáng)極電極

106陰極電極

107場(chǎng)板

108絕緣層

200半導(dǎo)體裝置(igbt)

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法所適宜的實(shí)施方式。在本說(shuō)明書和附圖中，對(duì)于標(biāo)記了n或p的層、區(qū)域，分別是指電子或空穴為多數(shù)載流子。另外，在n或p上附加的+和-分別是指，與不帶有+和-的層、區(qū)域相比為高雜質(zhì)濃度和低雜質(zhì)濃度。應(yīng)予說(shuō)明，在以下的實(shí)施方式的說(shuō)明和附圖中，對(duì)相同的構(gòu)成標(biāo)注相同的符號(hào)，省略重復(fù)的說(shuō)明。

(第1實(shí)施方式)

圖1是作為本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出二極管的截面圖。圖1所示的半導(dǎo)體裝置100示出了二極管的例子，但也可以是絕緣柵雙極晶體管(igbt)。

對(duì)于該半導(dǎo)體裝置100，在n^-型半導(dǎo)體基板(n^-漂移區(qū)域)101的主面的表面層形成有p型陽(yáng)極層102，在對(duì)面(背面)的表面層形成有n⁺型陰極層101b。而且，在p型陽(yáng)極層102的外周位置形成有成為終端區(qū)域104的p型的層。為了降低開關(guān)時(shí)導(dǎo)致噪聲的電壓振動(dòng)，該半導(dǎo)體裝置100中，要從表面?zhèn)认虮趁鎮(zhèn)鹊妮^深的位置處進(jìn)行n型摻雜濃度的控制。

該圖1表示在質(zhì)子注入后，通過(guò)氫氣氛退火來(lái)促進(jìn)質(zhì)子的施主生成的狀態(tài)。關(guān)于載流子濃度控制，利用了以較低的加速電壓在硅中能夠得到較深的飛程的質(zhì)子注入來(lái)形成n層101a。該n層101a成為通過(guò)質(zhì)子注入而形成的電場(chǎng)終止(fs)層，具有比n^-的漂移區(qū)域(n^-型半導(dǎo)體基板101)更高的雜質(zhì)濃度。

在p型陽(yáng)極層102上設(shè)有陽(yáng)極電極105，在n⁺型陰極層101b的下表面(半導(dǎo)體裝置100的背面)設(shè)置有陰極電極106。另外，活性部110是半導(dǎo)體裝置接通時(shí)電流流通的區(qū)域，耐壓結(jié)構(gòu)部111是緩和n^-型半導(dǎo)體基板(n^-漂移區(qū)域)101的主面?zhèn)鹊碾妶?chǎng)，并保持耐壓的區(qū)域。

在耐壓結(jié)構(gòu)部111設(shè)有例如作為懸浮的p型區(qū)域的場(chǎng)限環(huán)(flr：終端區(qū)域)104和與終端區(qū)域104電連接的作為導(dǎo)電膜的場(chǎng)板(fp)107。符號(hào)108為絕緣層。

圖2～圖8是分別表示本發(fā)明的二極管的活性部的制造工序的截面圖。利用這些圖對(duì)活性部110的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。首先，如圖2所示，通過(guò)在水蒸氣氣氛中對(duì)成為n^-漂移區(qū)域的n^-型半導(dǎo)體基板101進(jìn)行熱處理，從而形成初期氧化膜。然后，通過(guò)光刻法和濕式蝕刻僅對(duì)活性部區(qū)域除去氧化膜。

然后，如圖3所示，將氧化膜108作為掩模，從n^-型半導(dǎo)體基板101的主面?zhèn)壤珉x子注入硼(b)，進(jìn)行熱處理，由此形成p型陽(yáng)極層102。另外，通過(guò)金屬的濺射在p型陽(yáng)極層102上形成陽(yáng)極電極105。108是由上述氧化膜形成的絕緣層。

接著，制作覆蓋陽(yáng)極電極105的表面保護(hù)膜(未圖示)，如圖4所示，通過(guò)從表面?zhèn)日丈潆娮邮?01并進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行壽命控制。然后，如圖5所示，從背面?zhèn)乳_始研磨n^-型半導(dǎo)體基板101，研磨到用作半導(dǎo)體裝置100的產(chǎn)品厚度的位置502為止。

接下來(lái)，如圖6所示，從n^-型半導(dǎo)體基板101的背面?zhèn)茸⑷霂в蓄A(yù)定的注入能量和注入量而注入質(zhì)子601。然后，如圖7所示，為了生成質(zhì)子601的施主區(qū)域(作為電場(chǎng)終止層的n層101a)，在爐內(nèi)的氫h2氣氛中進(jìn)行預(yù)定溫度的退火701。該n層101a與p型陽(yáng)極層102和n⁺型陰極層101b均分開設(shè)置。

質(zhì)子601的注入能量為0.3mev～10mev，例如設(shè)定為2.1mev(飛程rp為51μm)，注入量為1×10¹⁴/cm²。質(zhì)子601的注入能量為1.0mev～5.0mev時(shí)，質(zhì)子601的飛程rp為16μm～220μm。特別是質(zhì)子601的注入能量為1.0mev以上時(shí)，質(zhì)子601的飛程rp為16μm以上，反向恢復(fù)的振蕩抑制效果好，因而優(yōu)選。對(duì)于反向恢復(fù)的振蕩抑制效果，在后面進(jìn)行敘述。此外，質(zhì)子601的注入能量為2.0mev～3.0mev時(shí)，質(zhì)子601的飛程rp為20μm～100μm。

質(zhì)子601的注入量例如可以為3×10¹²/cm²～5×10¹⁴/cm²左右。為了使缺陷恢復(fù)和施主化率成為所希望的狀態(tài)，質(zhì)子601的注入量?jī)?yōu)選為1×10¹³/cm²～1×10¹⁴/cm²左右。用于施主生成的退火701例如可以在溫度為420℃、氫濃度為6％～30％的氣氛下進(jìn)行。退火701的處理時(shí)間例如可以為1個(gè)小時(shí)～10個(gè)小時(shí)左右。優(yōu)選地，退火701的處理時(shí)間例如為3個(gè)小時(shí)～7個(gè)小時(shí)左右即可。其原因是，能夠使從退火701開始起1小時(shí)左右發(fā)生的溫度變動(dòng)穩(wěn)定。另外，要抑制制造成本為較低時(shí)，退火701的處理時(shí)間例如為1個(gè)小時(shí)～5個(gè)小時(shí)左右即可。

然后，如圖8所示，從n^-型半導(dǎo)體基板101的背面?zhèn)冗M(jìn)行例如磷(p)的離子注入801，通過(guò)熱處理來(lái)形成n⁺層(n⁺型陰極層101b，以下設(shè)定為n⁺層101b)。然后，在n^-型半導(dǎo)體基板101的背面濺射金屬而形成陰極電極106。n層101a和n⁺層101b成為電場(chǎng)終止區(qū)域，具有比n^-漂移區(qū)域(n^-型半導(dǎo)體基板101)更高的雜質(zhì)濃度。由此，完成了圖1所示的二極管的活性部。

(實(shí)施例)

接著，對(duì)上述構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置100的特性進(jìn)行說(shuō)明。圖9是表示第1實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的圖表。表示在用于進(jìn)行質(zhì)子退火的爐中，分別以氫濃度為0％和16％的條件下進(jìn)行退火時(shí)的圖1的x-x’軸部分的基于擴(kuò)展電阻測(cè)定法(sra：spreadingresistanceanalysis)的測(cè)定結(jié)果(在圖22～24中也同樣)。通過(guò)該sra法測(cè)定的載流子濃度在載流子的遷移率與晶體的理想值相同的情況下大致表示摻雜濃度。另一方面，在晶體缺陷多的情況下或晶體紊亂(無(wú)序)多的情況下，由于遷移率下降，所以擴(kuò)展電阻增加，載流子濃度低(換言之，摻雜濃度明顯變成較低的值)。圖中0的位置是陰極電極106與n⁺層101b的邊界(在圖22～24也同樣)。可知與氫h2濃度為0％時(shí)相比，氫濃度為16％的情況下，在從n層101a到n⁺層101b和從n層101a到n^-漂移區(qū)域(n^-型半導(dǎo)體基板101)中，整體上由生成施主而引起的載流子濃度增加。

圖10是表示施主生成率與氫濃度的關(guān)系的圖表。利用圖10來(lái)說(shuō)明相對(duì)于質(zhì)子注入量的施主生成率對(duì)退火的氫濃度依賴性。作為施主生成率，使用施主活化率(％)。例如，相對(duì)于質(zhì)子注入量為1×10¹⁴/cm²，施主活化率在生成2×10¹²/cm²的施主時(shí)為2％。施主活化率是通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的質(zhì)子施主濃度分布(單位cm³)突出的部分(圖9的突起)的區(qū)域在深度進(jìn)行積分(單位cm²)而算出的。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)值，質(zhì)子注入量為1×10¹⁴/cm²、氫濃度為0％時(shí)，施主量為2.370×10¹²/cm²，活化率為2.37％。另外，氫濃度為16％時(shí)，施主量為2.760×10¹²/cm²，活化率為2.76％。而且，如圖10所示，如果氫濃度上升，則以6％為界，施主生成率增加，在30％時(shí)飽和?？梢酝茰y(cè)顯示飽和特性是因?yàn)閺膙o缺陷中被氫取代的氧全部被施主化。在此，vo缺陷是指空穴(v)與氧(o)的復(fù)合缺陷?？芍紤]到如果過(guò)度提高氫濃度則爆炸的危險(xiǎn)性提高，在質(zhì)子注入后，在氫濃度6％～30％的氣氛下進(jìn)行爐退火對(duì)提高施主生成率有效。此外，如果以施主活化率在大約2.7％以上時(shí)，為了能夠穩(wěn)定且充分降低爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，從而將氫濃度設(shè)定為10％～30％，進(jìn)一步設(shè)定為15％～25％，則更優(yōu)選。

如上所述，根據(jù)第1實(shí)施方式，通過(guò)在氫氣氛中，在氫濃度6％～30％的范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)子注入后的熱處理，從而除質(zhì)子注入之外也能向硅中導(dǎo)入氫。另外，大量的氫末端具有晶體缺陷的懸掛鍵，具有促進(jìn)晶體恢復(fù)的效果。

而且，根據(jù)上述第1實(shí)施方式的制造方法，能夠減少用于生成施主的劑量，另外，能夠降低爐的退火溫度，因此能夠減少工程時(shí)間(準(zhǔn)備時(shí)間)，能夠降低半導(dǎo)體裝置100的芯片單價(jià)(成本)。

(第2實(shí)施方式)

接下來(lái)，對(duì)第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的質(zhì)子的注入能量(也稱為加速能量)和退火條件與第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法不同。第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的質(zhì)子的退火條件以外的構(gòu)成均與第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法相同。

具體而言，首先，與第1實(shí)施方式同樣地進(jìn)行從p型陽(yáng)極層102的形成到質(zhì)子601的注入為止的工序(圖2～6)。質(zhì)子的注入能量例如為1.1mev(飛程rp為18μm)。接下來(lái)，例如在氫濃度為6.0％～30.0％的氣氛中，在350℃的溫度進(jìn)行10個(gè)小時(shí)的退火701，從而生成施主區(qū)域(n層101a)(圖7)。然后，與第1實(shí)施方式同樣地從通過(guò)磷的離子注入和激光退火形成n⁺層101b開始進(jìn)行后續(xù)的工序(圖8)，完成圖1所示的二極管。

將利用sra法對(duì)如此制造的二極管的載流子濃度的深度方向的分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果示于圖22。圖22是表示第2實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。如圖22所示，質(zhì)子601的注入面附近和通過(guò)區(qū)域的載流子濃度比n^-型半導(dǎo)體基板101的雜質(zhì)濃度(由虛線表示的基板濃度，在圖23、24中也同樣)還高，由此可知在第2實(shí)施方式中，能夠在使晶體缺陷(無(wú)序)恢復(fù)的同時(shí)生成施主區(qū)域。

如上所述，根據(jù)第2實(shí)施方式，能夠得到與第1實(shí)施方式同樣的效果。根據(jù)第2實(shí)施方式，通過(guò)將質(zhì)子的退火溫度設(shè)定為350℃以下，從而能夠在背面研磨前的厚度厚的n^-型半導(dǎo)體基板上形成整個(gè)基板表面?zhèn)鹊慕Y(jié)構(gòu)(p型陽(yáng)極層、陽(yáng)極電極和層間絕緣膜等)，因此，能夠減少在n^-型半導(dǎo)體基板的厚度薄的狀態(tài)下進(jìn)行的工序。由此，能夠提高合格率且能夠降低制造設(shè)備的成本。另外，根據(jù)第2實(shí)施方式，通過(guò)使質(zhì)子的退火溫度為350℃以下，從而能夠?qū)Ρ趁嫜心デ暗暮穸群竦膎^-型半導(dǎo)體基板進(jìn)行電子束照射，因此能夠提高合格率。另外，施主化率在退火溫度為300℃以上且350℃以下的范圍變成最高(例如10～50％)。因此，通過(guò)在該溫度范圍進(jìn)行退火處理，從而能夠維持較高的質(zhì)子的施主化率。

(第3實(shí)施方式)

接著，對(duì)第3實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。第3實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法與第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的不同點(diǎn)在于，為了使缺陷恢復(fù)和施主化率成為所希望的狀態(tài)，進(jìn)行330℃以上380℃以下的溫度的質(zhì)子的退火。因此，在第3實(shí)施方式中，進(jìn)行各工序的順序與第1實(shí)施方式不同，在質(zhì)子的退火后進(jìn)行用于控制壽命的電子束照射和熱處理。

具體而言，首先，與第1實(shí)施方式同樣地進(jìn)行從p型陽(yáng)極層的形成到表面保護(hù)膜的形成為止的工序。接著，從背面?zhèn)妊心^-型半導(dǎo)體基板，直到研磨至用作半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)品厚度的位置為止。接下來(lái)，從n^-型半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子后，在氫濃度6.0％以上且小于30.0％的氣氛下，在例如以380℃的溫度進(jìn)行5個(gè)小時(shí)的退火而生成施主區(qū)域。接著，通過(guò)從基板表面?zhèn)日丈潆娮邮?，進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行壽命控制體的控制。然后，與第1實(shí)施方式同樣地從通過(guò)磷的離子注入和激光退火而形成n⁺層開始進(jìn)行后續(xù)的工序，這樣，完成圖1所示的二極管。

將利用sra法對(duì)如此制造的二極管的載流子濃度在深度方向的分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果示于圖23。圖23是表示第3實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。如圖23所示，質(zhì)子的注入面附近和通過(guò)區(qū)域的載流子濃度比n^-型半導(dǎo)體基板的雜質(zhì)濃度更高，因此在第3實(shí)施方式中在使晶體缺陷(無(wú)序)恢復(fù)的同時(shí)生成施主區(qū)域。

如上所述，根據(jù)第3實(shí)施方式，能夠得到與第1實(shí)施方式同樣的效果。另外，根據(jù)第3實(shí)施方式，通過(guò)將質(zhì)子的退火溫度設(shè)定為380℃以下，能夠在降低缺陷的同時(shí)，提高施主化率。另外，與第2實(shí)施方式同樣地能夠在背面研磨前的厚度的厚的n^-型半導(dǎo)體基板形成整個(gè)基板表面?zhèn)鹊慕Y(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)合格率提高和成本降低。

(第4實(shí)施方式)

接著，對(duì)第4實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。第4實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法與第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的不同點(diǎn)在于為了提高施主化率而在300℃～450℃的溫度進(jìn)行質(zhì)子的退火。因此，在第4實(shí)施方式中，進(jìn)行各工序的順序與第1實(shí)施方式不同，在質(zhì)子的退火后進(jìn)行表面保護(hù)膜的形成和用于控制壽命的電子束照射和熱處理。

具體而言，首先，與第1實(shí)施方式同樣地形成p型陽(yáng)極層和陽(yáng)極電極。接著，從背面?zhèn)妊心^-型半導(dǎo)體基板，直到研磨至用作半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)品厚度的位置為止。接下來(lái)，從n^-型半導(dǎo)體基板的背面?zhèn)茸⑷胭|(zhì)子后，在氫濃度為6.0％以上且小于30.0％的氣氛下，在例如以420℃的溫度進(jìn)行3個(gè)小時(shí)的退火，由此生成施主區(qū)域。接著，形成覆蓋陽(yáng)極電極的表面保護(hù)膜。接下來(lái)，通過(guò)從基板表面?zhèn)日丈潆娮邮M(jìn)行熱處理，從而進(jìn)行壽命控制體的控制。然后，與第1實(shí)施方式同樣地進(jìn)行從通過(guò)磷的離子注入和激光退火而形成n⁺層開始進(jìn)行后續(xù)的工序，完成圖1所示的二極管。

將利用sra法對(duì)如此制造的二極管的載流子濃度在深度方向的分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果示于圖24。圖24是表示第4實(shí)施方式的二極管的活性部的制造工序中的退火后的載流子濃度在深度方向的分布的測(cè)定結(jié)果的特性圖。如圖24所示，可知質(zhì)子的注入面附近和通過(guò)區(qū)域的載流子濃度比n^-型半導(dǎo)體基板的雜質(zhì)濃度高，因此在第4實(shí)施方式中，能夠在使晶體缺陷(無(wú)序)恢復(fù)的同時(shí)生成施主區(qū)域。另外，由于質(zhì)子的注入面附近和通過(guò)區(qū)域的載流子濃度比第2、3實(shí)施方式的情況下的濃度還高，所以與第2、3實(shí)施方式相比，能夠使晶體缺陷更穩(wěn)定地恢復(fù)。

如上所述，根據(jù)第4實(shí)施方式，能夠得到與第1實(shí)施方式同樣的效果。另外，根據(jù)第4實(shí)施方式，通過(guò)提高質(zhì)子的退火溫度，因此雖然研磨背面后n^-型半導(dǎo)體基板的厚度為薄的狀態(tài)下進(jìn)行的工序數(shù)增多，但能夠使晶體缺陷穩(wěn)定地恢復(fù)。

(第5實(shí)施方式)

接下來(lái)，對(duì)第5實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。第5實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法與第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的不同點(diǎn)在于在常壓(例如100000pa左右)氣氛下用氮置換氣氛內(nèi)的氧，在從爐內(nèi)降低氧分壓的狀態(tài)下進(jìn)行質(zhì)子的退火。第5實(shí)施方式也能夠適用于第2～4實(shí)施方式。

如上所述，根據(jù)第5實(shí)施方式，能夠得到與第1實(shí)施方式同樣的效果。另外，根據(jù)第5實(shí)施方式，通過(guò)降低用于進(jìn)行質(zhì)子的退火的爐內(nèi)的氧分壓，從而能夠防止由氫引起的爆炸。

(第6實(shí)施方式)

接著，對(duì)第6實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。第6實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法與第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法的不同點(diǎn)在于在用于進(jìn)行質(zhì)子的退火的爐中實(shí)施防止由氫氣引起的爆炸的對(duì)策。例如，通過(guò)在爐內(nèi)，在用于搬入n^-型半導(dǎo)體基板的開口部等爐內(nèi)與外部的連結(jié)部和/或爐與反應(yīng)氣體管的連結(jié)部安裝o型環(huán)等密封用部件，從而提高爐內(nèi)的氣密性，由此防止由爐內(nèi)的氫氣引起的爆炸。

具體而言，首先，將n^-型半導(dǎo)體基板(晶圓)在大氣氣氛的狀態(tài)下、在常壓下搬入退火爐內(nèi)后，利用上述的密閉用部件等將爐內(nèi)與外部的連結(jié)部等密閉。接著，將爐內(nèi)減壓到例如0.1pa左右來(lái)降低氧分壓。接下來(lái)，在利用密封用部件來(lái)保持爐內(nèi)的氣密性的狀態(tài)下向爐內(nèi)導(dǎo)入氮?dú)夂蜌錃舛蛊錇槔绯簹夥铡＠秒姞t將爐內(nèi)溫度以預(yù)定的溫度增加率升溫至上述的預(yù)定退火溫度，對(duì)晶圓進(jìn)行質(zhì)子的退火處理。接下來(lái)，將爐內(nèi)溫度以規(guī)定的溫度減少率降溫到搬出晶圓的溫度。接著，在利用密封用部件保持爐內(nèi)的氣密性的狀態(tài)下將爐內(nèi)減壓到例如0.1pa左右而充分降低氫分壓。接下來(lái)，向爐內(nèi)導(dǎo)入氮?dú)?，使?fàn)t內(nèi)為常壓。然后，搬出晶圓。第6實(shí)施方式也能夠適用于第2～4實(shí)施方式。

如上所述，根據(jù)第6實(shí)施方式，能夠得到與第1實(shí)施方式同樣的效果。另外，根據(jù)第6實(shí)施方式，為了進(jìn)行質(zhì)子的退火，通過(guò)提高爐內(nèi)的氣密性，降低氧分壓，從而能夠防止由氫引起的爆炸。

(第7實(shí)施方式)

以上，對(duì)本發(fā)明的在半導(dǎo)體基板上形成二極管的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行了說(shuō)明，但并不限于上述實(shí)施方式，對(duì)于制作絕緣柵型雙極晶體管(igbt)的n層(電場(chǎng)終止層)101a，也能夠同樣適用。

圖11是作為應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置而示出的igbt的截面圖。對(duì)于該igbt200，在n^-型半導(dǎo)體基板(n^-漂移區(qū)域)201的主面的表面層形成有p型基底層210。此外，在該p型基底層210的表面層形成有n型發(fā)射極層209。然后，以與n^-漂移區(qū)域(n^-型半導(dǎo)體基板201)、p型基底層210、n型發(fā)射極層209對(duì)置的方式介由柵氧化膜213設(shè)置溝槽型的柵電極208，形成金屬-氧化膜-半導(dǎo)體(mos)型柵電極。

另外，在n^-型半導(dǎo)體基板201的主面的表面層，以與溝槽型的柵電極208在相對(duì)于p型基底層210一側(cè)相反側(cè)的面相接的方式，形成懸浮(浮游)電位的懸浮p層211。然后，以隔著懸浮p層211并與溝槽型的柵電極208鄰接的方式介，由柵氧化膜213形成溝槽型的偽柵極212。偽柵極212的電位可以是懸浮電位，也可以是發(fā)射電位。另一方面，在對(duì)面(背面)的表面層形成p⁺型集電極層203。然后，在p型基底層210的外周位置形成成為終端區(qū)域104的p型的保護(hù)環(huán)204。

為了降低開關(guān)時(shí)導(dǎo)致噪聲的電壓振動(dòng)，該igbt200從表面?zhèn)认虮趁鎮(zhèn)容^深的位置處的n型摻雜濃度進(jìn)行控制。該圖11表示在質(zhì)子注入后通過(guò)氫氣氛退火來(lái)促進(jìn)質(zhì)子的施主生成的狀態(tài)。對(duì)于載流子濃度控制，利用了以較低的加速電壓在硅中能夠得到深的飛程的質(zhì)子注入而形成n型層201a。該n型層201a成為通過(guò)質(zhì)子注入形成的電場(chǎng)終止層，具有比n^-漂移區(qū)域(n^-型半導(dǎo)體基板201更)高的雜質(zhì)濃度。

在p型基底層210和n型發(fā)射極層209上設(shè)置有發(fā)射極電極202，在p⁺型集電極層203的下表面(igbt200的背面)設(shè)置有集電極206。另外，活性部110是接通igbt時(shí)電流流通的區(qū)域，終端區(qū)域104是緩和n型半導(dǎo)體基板(n^-漂移區(qū)域)201的主面?zhèn)鹊碾妶?chǎng)，并保持耐壓的區(qū)域。在終端區(qū)域104，例如設(shè)有作為懸浮的p型區(qū)域的p型保護(hù)環(huán)204和與保護(hù)環(huán)204電連接的作為導(dǎo)電膜的場(chǎng)板(fp)207。205為層間絕緣膜，214為絕緣層。

如上所述，根據(jù)第7實(shí)施方式，能夠得到與第1實(shí)施方式同樣的效果。

(第8實(shí)施方式)

接下來(lái)，以第8實(shí)施方式的形式對(duì)電場(chǎng)終止層的位置進(jìn)行說(shuō)明。基于質(zhì)子注入的電場(chǎng)終止層當(dāng)然不限于形成一層，也可以形成多層。以下說(shuō)明在多次的質(zhì)子注入中，第一段電場(chǎng)終止層的質(zhì)子峰位置的優(yōu)選位置。所謂第一段電場(chǎng)終止層，在二極管的情況下是指n⁺型陰極層，在igbt的情況下是指從成為p⁺型集電極層側(cè)的基板背面向在深度方向最深的位置的電場(chǎng)終止層。

圖15是一般的二極管的反向恢復(fù)時(shí)的振蕩波形。在陽(yáng)極電流為額定電流的1/10以下時(shí)，由于存儲(chǔ)載流子少，所以有時(shí)在反向恢復(fù)結(jié)束的跟前發(fā)生振蕩。將陽(yáng)極電流固定為某個(gè)值，以不同的電源電壓vcc使二極管反向恢復(fù)。此時(shí)，如果電源電壓vcc超過(guò)某個(gè)預(yù)定的值，則在陰極-陽(yáng)極之間電壓波形中，超過(guò)通常的過(guò)沖電壓的峰值后，發(fā)生附加的過(guò)沖。然后，該附加的過(guò)沖(電壓)成為觸發(fā)點(diǎn)，之后的波形發(fā)生振動(dòng)。如果電源電壓vcc進(jìn)一步超過(guò)該預(yù)定的值，則附加的過(guò)沖電壓進(jìn)一步增加，之后的振動(dòng)的振幅也增加。如此，將電壓波形開始振動(dòng)的閾值電壓稱為振蕩開始閾值vrro。該vrro越高表示二極管在反向恢復(fù)時(shí)越不發(fā)生振蕩，因而優(yōu)選。

對(duì)于振蕩開始閾值vrro，取決于二極管的從p型陽(yáng)極層與n^-漂移區(qū)域之間的pn結(jié)擴(kuò)展到n^-漂移區(qū)域的耗盡層端(嚴(yán)格地講，由于存在空穴，所以是空間電荷區(qū)域端)在多個(gè)質(zhì)子峰中的最初到達(dá)的第一段質(zhì)子峰的位置。其原因如下。在反向恢復(fù)時(shí)，耗盡層從表面?zhèn)鹊膒型陽(yáng)極層擴(kuò)展到n^-漂移區(qū)域時(shí)，通過(guò)耗盡層端到達(dá)第一個(gè)電場(chǎng)終止層，從而能夠抑制其擴(kuò)展，存儲(chǔ)載流子的輸出減弱。其結(jié)果，載流子的枯竭被抑制，振蕩被抑制。

反向恢復(fù)時(shí)的耗盡層從p型陽(yáng)極層與n^-漂移區(qū)域之間的pn結(jié)，朝向陰極電極沿著深度方向擴(kuò)展。因此，耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置成為最靠近p型陽(yáng)極層與n^-漂移區(qū)域之間的pn結(jié)的電場(chǎng)終止層。因此，將n^-型半導(dǎo)體基板的厚度(被陽(yáng)極電極和陰極電極夾住的部分的厚度)記為w0，將耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置的、從陰極電極與n^-型半導(dǎo)體基板的背面之間的界面起算的深度(以下，稱為與背面的距離)記為x。其中，導(dǎo)入距離指標(biāo)l。距離指標(biāo)l由下述(1)式表示。

[數(shù)學(xué)式1]

圖17是表示在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的位置條件的圖表。圖19是表示具有多個(gè)電場(chǎng)終止層的二極管的說(shuō)明圖。圖19(a)表示形成多個(gè)電場(chǎng)終止層3的二極管的截面圖。圖19(b)表示沿著圖19(a)的切割線b-b’的凈摻雜濃度分布。在成為n^-漂移區(qū)域1的n^-型半導(dǎo)體基板的表面?zhèn)刃纬蓀型陽(yáng)極層52，在背面?zhèn)刃纬蒼⁺型陰極層53。符號(hào)51為陽(yáng)極電極，符號(hào)54為陰極電極。在n^-漂移區(qū)域1的內(nèi)部例如形成3段電場(chǎng)終止層3。另外，距離基板背面最深的電場(chǎng)終止層3的峰位置離基板背面的距離x為50μm。這是基于圖17所示的圖表，將距離指標(biāo)l設(shè)為58.2μm、將后述的γ設(shè)為1.2的情況。另外，圖19(b)中示出的l的箭頭表示例如距離p型陽(yáng)極層52與n^-漂移區(qū)域1之間的pn結(jié)的距離(長(zhǎng)度)。

圖18是表示具有多個(gè)電場(chǎng)終止層的igbt的說(shuō)明圖。圖18(a)表示形成了多個(gè)電場(chǎng)終止層3的igbt的截面圖。圖18(b)表示沿著圖18(a)的切割線a-a’的凈摻雜濃度分布。在成為n^-漂移區(qū)域1的n^-型半導(dǎo)體基板的表面?zhèn)刃纬蓀型基底層33，在背面?zhèn)刃纬蓀集電極層4。符號(hào)2為n⁺發(fā)射極層，符號(hào)23為p型基底層33與n^-漂移區(qū)域1之間的pn結(jié)，符號(hào)31為發(fā)射極電極，符號(hào)32為集電極。另外，符號(hào)38為n緩沖層，符號(hào)41為層間絕緣膜，符號(hào)42為柵電極，符號(hào)43為柵極絕緣膜。在n^-漂移區(qū)域1的內(nèi)部例如形成3段電場(chǎng)終止層3。距離基板背面最深的電場(chǎng)終止層3的峰位置離基板背面的距離x為50μm。這是基于圖17所示的圖表，將距離指標(biāo)l設(shè)為圖17的58.2μm、將后述的γ設(shè)為1.2的情況。另外，圖18(b)中示出的l的箭頭表示例如距離p型基底層33與n^-漂移區(qū)域1之間的pn結(jié)的距離(長(zhǎng)度)。

接下來(lái)，對(duì)二極管的反向恢復(fù)振蕩進(jìn)行說(shuō)明。上述(1)式所示的距離指標(biāo)l是在反向恢復(fù)時(shí)陰極-陽(yáng)極之間電壓vak變成電源電壓vcc時(shí)，表示從p型陽(yáng)極層與n^-漂移區(qū)域之間的pn結(jié)擴(kuò)展到n^-漂移區(qū)域的耗盡層(正確來(lái)講是空間電荷區(qū)域)的端部(耗盡層端)離該pn結(jié)的距離的指標(biāo)。平方根內(nèi)部的分?jǐn)?shù)中，分母表示反向恢復(fù)時(shí)的空間電荷區(qū)域(簡(jiǎn)單而言是耗盡層)的空間電荷密度。公知的泊松方程由dive＝ρ/ε表示，e為電場(chǎng)強(qiáng)度，ρ為空間電荷密度且用ρ＝q(p－n+nd－na)表示。q為基元電荷，p為空穴濃度，n為電子濃度，nd為施主濃度，na為受主濃度，ε為半導(dǎo)體的介電常數(shù)。特別是施主濃度nd是將n^-漂移區(qū)域在深度方向積分，再除以積分的區(qū)間的距離的平均濃度。

該空間電荷密度ρ由反向恢復(fù)時(shí)超過(guò)空間電荷區(qū)域(耗盡層)的空穴濃度p和n^-漂移區(qū)域的平均的施主濃度nd記述，電子濃度與這些相比低到可以忽視的程度，由于不存在受體，所以可以表示為ρ≒q(p+nd)。此時(shí)的空穴濃度p由二極管的分?jǐn)嚯娏鞔_定，特別是由于假定為以元件的額定電流密度通電的狀況，所以由p＝j(luò)f/(qvsat)表示，jf為元件的額定電流密度，vsat為載流子的速度在預(yù)定的電場(chǎng)強(qiáng)度下飽和的飽和速度。

用距離x對(duì)上述泊松方程進(jìn)行二重積分，作為電壓v而e＝-gradv(公知的電場(chǎng)e與電壓v的關(guān)系)，所以如果適當(dāng)采取邊界條件，則v＝(1/2)(ρ/ε)x²。將該電壓v為額定電壓bv的1/2時(shí)得到的空間電荷區(qū)域的長(zhǎng)度x作為上述的距離指標(biāo)l。其原因是，在逆變器等實(shí)際的設(shè)備中，將作為電壓v的運(yùn)行電壓(電源電壓vcc)設(shè)為額定電壓的一半左右。通過(guò)將摻雜濃度設(shè)定為比n^-漂移區(qū)域高的濃度，從而電場(chǎng)終止層具有使反向恢復(fù)時(shí)擴(kuò)展的空間電荷區(qū)域的延伸難以在電場(chǎng)終止層中擴(kuò)展的功能。二極管的陽(yáng)極電流因處于電路上的其它位置的igbt的mos柵的接通而從分?jǐn)嚯娏鏖_始減少時(shí)，耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置如果正好為該空間電荷區(qū)域的長(zhǎng)度，則在存儲(chǔ)載流子殘留于n^-漂移區(qū)域的狀態(tài)下，能夠抑制空間電荷區(qū)域的延伸，因此抑制殘留載流子的輸出。

用公知的pwm逆變器對(duì)例如igbt模塊進(jìn)行電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，在實(shí)際的反向恢復(fù)動(dòng)作中電源電壓vcc和/或分?jǐn)嚯娏鞑皇枪潭ǖ模强勺兊?。因此，在這樣的情況下，在耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置的優(yōu)選位置，有必要設(shè)置某種程度的寬度。發(fā)明人等研究的結(jié)果，耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置離背面的距離x是如圖17所示的圖表。圖17表示額定電壓分別為600v～6500v時(shí)耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置離背面的距離x。在此，x＝w0－γl，γ為系數(shù)。表示使該γ例如變化到0.7～1.6時(shí)的x。

如圖17所示，對(duì)于各額定電壓，以使元件(二極管)具有比額定電壓高10％左右的耐壓的方式進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。然后，設(shè)定如圖17所示的n^-型半導(dǎo)體基板的總厚度(通過(guò)研磨等削薄后的完成時(shí)的厚度)以及n^-漂移區(qū)域的平均比電阻，以使通態(tài)電壓、反向恢復(fù)損耗分別足夠低。平均是指包括電場(chǎng)終止層在內(nèi)的整個(gè)n^-漂移區(qū)域的平均濃度和比電阻。根據(jù)額定電壓，額定電流密度jf也成為如圖17所示的典型值。額定電流密度jf被設(shè)定成使由額定電壓與額定電流密度jf之積確定的能量密度大約為一定的值，大致是圖17所示的值。使用這些值，按照上述(1)式計(jì)算距離指標(biāo)l時(shí)，距離指標(biāo)l為圖17中記載的值。耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置離背面的距離x是從n^-型半導(dǎo)體基板的厚度w0中減去相對(duì)于該距離指標(biāo)l將γ設(shè)為0.7～1.6的值而得到的值。

相對(duì)于這些距離指標(biāo)l和n^-型半導(dǎo)體基板的厚度w0的值，能夠使反向恢復(fù)振蕩被充分抑制那樣的、耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置距背面的距離x如下。圖14是關(guān)于使電壓波形開始振動(dòng)的閾值電壓示出的特性圖。圖14中是通過(guò)典型的一些額定電壓vrate(600v、1200v、3300v)示出振蕩開始閾值vrro相對(duì)于該γ的依賴性。在此，縱軸是用額定電壓vrate對(duì)振蕩開始閾值vrro進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化而得的值?？芍讦脼?.5以下，3個(gè)額定電壓均能夠使振蕩開始閾值vrro急劇升高。

如上所述，在逆變器等實(shí)際的設(shè)備中，將作為電壓v的動(dòng)作電壓(電源電壓vcc)設(shè)為額定電壓vrate的一半左右，所以在將電源電壓vcc設(shè)定為額定電壓vrate的一半時(shí)，至少要避免發(fā)生二極管的反向恢復(fù)振蕩。換言之，vrro/vrate的值必需為0.5以上。從圖14可知在γ為0.2以上且1.5以下的情況下vrro/vrate的值為0.5以上，因此優(yōu)選至少使γ為0.2～1.5。

另外，在未圖示的600v～1200v之間(800v、1000v等)、1200v～3300v之間(1400v、1700v、2500v等)和3300v以上(4500v、6500v等)中的任一者中，都沒(méi)有大幅度偏離圖14所示的3條曲線，表示與該3條曲線同樣的依賴性(振蕩開始閾值vrro相對(duì)于γ的值)。由圖7可知γ在0.7～1.4的范圍，在任一額定電壓下均能夠充分提高振蕩開始閾值vrro的區(qū)域。

如果γ小于0.7，則振蕩開始閾值vrro是額定電壓vrate的大約80％以上，但由于電場(chǎng)終止層靠近p型基底層，所以有時(shí)發(fā)生元件的雪崩耐壓小于額定電壓vrate的情況。因此，γ優(yōu)選為0.7以上。另外，如果γ大于1.4，則振蕩開始閾值vrro從額定電壓vrate的約70％起急劇減少，容易發(fā)生反向恢復(fù)振蕩。因此，γ優(yōu)選為1.4以下。γ更優(yōu)選為0.8～1.3的范圍，γ進(jìn)一步優(yōu)選為0.9～1.2的范圍內(nèi)，在該范圍時(shí)，能夠使元件的雪崩耐壓充分高于額定電壓vrate，并且能夠使振蕩開始閾值vrro最高。

在該圖14中，重要的一點(diǎn)是在任一額定電壓vrate下能夠充分提高振蕩開始閾值vrro的γ的范圍大致相同(0.7～1.4)。其原因是，將耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置的與背面的距離x的范圍設(shè)定為以w0－l(γ＝1)為中心是最有效的。包括γ＝1.0是最有效的原因是功率密度(額定電壓vrate與額定電流密度jf之積)大致恒定(例如1.8×10⁵～2.6×10⁵va/cm²)。換言之，在關(guān)斷等開關(guān)動(dòng)作時(shí)，元件的電壓與額定電壓vrate相當(dāng)時(shí)，空間電荷區(qū)域端的距離(深度)大致與上述(1)式中示出的距離指標(biāo)l相同，如果在該距離指標(biāo)l的位置有距離背面最深的電場(chǎng)終止層的峰位置(即γ約為1.0)，則能夠抑制開關(guān)時(shí)的振蕩。而且，由于功率密度大致恒定，所以距離指標(biāo)l與額定電壓vrate成比例。由此，無(wú)論在何種額定電壓vrate下，只要是將γ＝1包含在大致中心的范圍，則能夠充分提高振蕩開始閾值vrro，能夠最大限度地提高反向恢復(fù)時(shí)的振蕩抑制效果。

綜上所述，通過(guò)使耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置距背面的距離x設(shè)為上述范圍，從而在反向恢復(fù)時(shí)，二極管能夠殘存足夠的存儲(chǔ)載流子，能夠抑制振蕩現(xiàn)象。因此，即便在任意的額定電壓vrate下，耗盡層端最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置距背面的距離x可以使距離指標(biāo)l的系數(shù)γ設(shè)為上述范圍即可。由此，能夠有效抑制反向恢復(fù)時(shí)的振蕩現(xiàn)象。

另外，在圖17中，額定電壓vrate為600v以上時(shí)，如上所述那樣使距離背面最深的第一個(gè)(第一段)電場(chǎng)終止層的、距離背面的深度為γ＝1左右時(shí)，可知距離指標(biāo)l在任意額定電壓vrate下均比20μm深。即，使用于形成距離背面最深的第一段的質(zhì)子峰的質(zhì)子的飛程rp距離基板背面比15μm深，特別是為20μm以上，其原因是為了真正最大限度地提高該振蕩抑制效果。

綜上所述，為了得到良好的交換特性，需要在距離n^-型半導(dǎo)體基板的背面至少比15μm深的區(qū)域形成電場(chǎng)終止層。應(yīng)予說(shuō)明，對(duì)于上述的距離指標(biāo)l的考慮方式和γ的優(yōu)選的范圍，不僅適用于二極管中，在igbt中也可以是同樣的范圍。換言之，只要用關(guān)斷振蕩代替反向恢復(fù)振蕩即可，關(guān)于振蕩的發(fā)生容易性和抑制的作用效果是類似的。

(第9實(shí)施方式)

接下來(lái)，以第9實(shí)施方式的形式對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中的質(zhì)子的加速能量進(jìn)行說(shuō)明。為了以滿足上述γ的范圍的方式，實(shí)際上用質(zhì)子注入形成具有耗盡層最初到達(dá)的電場(chǎng)終止層的峰位置距基基板背面的距離x的該電場(chǎng)終止層時(shí)，可以由圖16所示的特性圖來(lái)確定質(zhì)子的加速能量。圖16是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的質(zhì)子的飛程與質(zhì)子的加速能量之間的關(guān)系的特性圖。

發(fā)明人等反復(fù)進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于質(zhì)子的飛程rp(電場(chǎng)終止層的峰位置)和質(zhì)子的加速能量e，將質(zhì)子的飛程rp的對(duì)數(shù)log(rp)記為x，將質(zhì)子的加速能量e的對(duì)數(shù)log(e)記為y時(shí)，有下述(2)式的關(guān)系。

y＝-0.0047x⁴+0.0528x³－0.2211x²+0.9923x+5.0474…(2)

圖16是表示上述(2)式的特性圖，示出了用于得到質(zhì)子的所希望的飛程rp的質(zhì)子的加速能量。圖16的橫軸是質(zhì)子的飛程rp的對(duì)數(shù)log(rp)，表示與log(rp)的軸數(shù)值的下側(cè)的括號(hào)內(nèi)對(duì)應(yīng)的飛程rp(μm)。另外，縱軸是質(zhì)子的加速能量e的對(duì)數(shù)log(e)，表示與log(e)的軸數(shù)值的左側(cè)的括號(hào)內(nèi)對(duì)應(yīng)的質(zhì)子的加速能量e。上述(2)式是通過(guò)實(shí)驗(yàn)等得到的、將質(zhì)子的飛程rp的對(duì)數(shù)log(rp)和加速能量的對(duì)數(shù)log(e)的各值用x(＝log(rp))的四次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合而得的式子。

應(yīng)予說(shuō)明，利用上述擬合式，根據(jù)所希望的質(zhì)子的平均飛程rp算出質(zhì)子注入的加速能量e(以下稱為計(jì)算值e)，并用該加速能量的計(jì)算值e將質(zhì)子注入到有機(jī)硅基板的情況下的、實(shí)際的加速能量e’與實(shí)際上通過(guò)擴(kuò)展電阻測(cè)定法(sra法)等得到的平均飛程rp’(質(zhì)子峰位置)之間的關(guān)系可以認(rèn)為滿足如下關(guān)系。

相對(duì)于加速能量的計(jì)算值e，如果實(shí)際的加速能量e’在e±10％左右的范圍，則實(shí)際的平均飛程rp’相對(duì)于所希望的平均飛程rp也保持在±10％左右的范圍，在測(cè)定誤差的范圍內(nèi)。因此，實(shí)際的平均飛程rp’相對(duì)于所希望的平均飛程rp的偏差對(duì)二極管或igbt的電特性造成的影響足夠小，是可以忽視的程度。因此，只要實(shí)際的加速能量e’在計(jì)算值e±10％的范圍，則能夠判斷實(shí)際的平均飛程rp’為實(shí)質(zhì)上與設(shè)定的平均飛程rp相同?；蛘呷绻鄬?duì)于將實(shí)際的加速能量e’導(dǎo)入上述(2)式而算出的平均飛程rp而言，實(shí)際的平均飛程rp’被保持在±10％以內(nèi)，也沒(méi)有問(wèn)題。

在實(shí)際的加速器中，由于加速能量e和平均飛程rp均能夠保持在上述范圍(±10％)，所以即使認(rèn)為實(shí)際的加速能量e’和實(shí)際的平均飛程rp’滿足用所希望的由平均飛程rp和計(jì)算值e表示的上述(2)式中示出的擬合式，也完全沒(méi)有問(wèn)題。此外，偏差和/或誤差的范圍相對(duì)于平均飛程rp為±10％以下即可，適當(dāng)?shù)乇３衷凇?％時(shí)，則可以認(rèn)為完全滿足上述(2)式。

通過(guò)使用上述(2)式，能夠求出得到所希望的質(zhì)子的飛程rp所必需的質(zhì)子的加速能量e。上述的用于形成電場(chǎng)終止層的質(zhì)子的各加速能量e也使用上述(2)式，實(shí)際上與利用公知的擴(kuò)展電阻測(cè)定法(sra法)對(duì)以上述加速能量e’注入質(zhì)子的試樣進(jìn)行測(cè)定而得的實(shí)測(cè)值也非常一致。因此，通過(guò)使用上述(2)式，能夠以極高的精度、基于質(zhì)子的飛程rp預(yù)測(cè)所必要的質(zhì)子的加速能量e。

(第10實(shí)施方式)

接下來(lái)，作為第10實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的反向恢復(fù)波形進(jìn)行說(shuō)明。圖21是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的反向恢復(fù)波形的特性圖。圖21中示出了根據(jù)第1實(shí)施方式制作的本發(fā)明(以下稱為實(shí)施例1)的反向恢復(fù)波形和不進(jìn)行質(zhì)子注入而僅照射電子束的比較例的反向恢復(fù)波形。將額定電壓設(shè)為1200v，fz硅基板的摻雜濃度(平均濃度)nd和研磨后的fz硅基板的成品厚度w0如圖17所示。距離基板背面最深的電場(chǎng)終止層的γ為1。對(duì)于電子束照射條件，在本發(fā)明中將劑量設(shè)為300kgy，將加速能量設(shè)為5mev。在比較例中，將劑量設(shè)為60kgy。本發(fā)明和比較例均是額定電流密度(圖17的1200v一欄)下的正向壓降為1.8v。對(duì)于試驗(yàn)條件，將電源電壓vcc設(shè)為800v，將初期的穩(wěn)定的陽(yáng)極電流設(shè)為額定電流(電流密度×活性面積約1cm²)，將斬波電路中與二極管、驅(qū)動(dòng)用igbt(相同的1200v)、中間電容器的浮地電感設(shè)為200nh。

由圖21可知，實(shí)施例1與比較例相比，反向恢復(fù)峰電流小，相對(duì)于電源電壓vcc而產(chǎn)生高的電壓的過(guò)沖電壓能夠減小200v左右。即，本發(fā)明的反向恢復(fù)波形是所謂的軟恢復(fù)波形。示出了即使通過(guò)高速而容易成為硬恢復(fù)的電子束照射進(jìn)行壽命控制，也能夠?qū)崿F(xiàn)極軟的波形，這是以往(比較例)所無(wú)法得到的效果。

對(duì)于這樣的本發(fā)明中觀察到的效果的作用(原因)，參照?qǐng)D20進(jìn)行說(shuō)明。圖20是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的載流子壽命的特性圖。圖20中，對(duì)于實(shí)施例1的二極管，示出了陽(yáng)極電極的相對(duì)于深度方向的凈摻雜濃度、點(diǎn)缺陷濃度和載流子壽命。推測(cè)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)軟恢復(fù)化的原因是對(duì)通過(guò)電子束照射而導(dǎo)入的點(diǎn)缺陷(空穴(v)、多個(gè)空穴(vv))，懸掛鍵被氫原子封端，所述氫原子是通過(guò)從基板背面的質(zhì)子注入而導(dǎo)入的。對(duì)于促進(jìn)載流子的生成和消失的缺陷而言，以點(diǎn)缺陷為主，是以空穴(v)-多個(gè)空穴(vv)為主體的能量中心(center)。在點(diǎn)缺陷形成有懸掛鍵。在此，通過(guò)從基板背面注入質(zhì)子而進(jìn)行退火(熱處理)，從而緩和缺陷，返回至接近正常的晶體狀態(tài)的狀態(tài)。此時(shí)，周邊的氫原子封端懸掛鍵。由此，以空穴(v)和多個(gè)空穴(vv)為主體的中心消失。另一方面，由于由氫原子引起的施主(氫致施主)是空穴(v)+氧(o)+氫(h)的voh缺陷為主體，所以通過(guò)質(zhì)子注入，不僅懸掛鍵被氫原子封端，也形成voh缺陷。即，最有助于施主形成的voh缺陷的形成才是使以空穴(v)和多個(gè)空穴(vv)為主體的點(diǎn)缺陷消失的原因。推測(cè)它降低作為漏電流和/或載流子再結(jié)合的原因的空穴(v)和多個(gè)空穴(vv)的密度且促進(jìn)voh施主的生成。

在此，通常在從塊體制造硅晶圓并切片成晶片狀的階段，在晶圓中含有氧。例如在由純多晶硅制造的fz晶片中含有1×10¹⁵/cm³～1×10¹⁶/cm³左右的氧。對(duì)于從以cz晶片為原料的聚有機(jī)硅提拉的fz晶片，含有1×10¹⁶/cm³～1×10¹⁷/cm³左右的氧。它們所含的氧作為voh缺陷的o作出貢獻(xiàn)。

應(yīng)予說(shuō)明，作為現(xiàn)有技術(shù)而眾所周知的是，不怎么形成施主而以僅降低壽命為目的的質(zhì)子注入，但該質(zhì)子注入估計(jì)會(huì)大量殘留以空穴(v)和多個(gè)空穴(vv)為主體的缺陷，voh缺陷相對(duì)地幾乎不形成。這一點(diǎn)與本發(fā)明的通過(guò)從基板背面的質(zhì)子注入和氫致施主形成電場(chǎng)終止層、以及通過(guò)用氫原子將由電子束照射而生成的懸掛鍵封端的效果所得到的減少以空穴(v)和多個(gè)空穴(vv)為主體的缺陷有很大的不同。

由這樣的現(xiàn)象可知，點(diǎn)缺陷密度如圖20的中段所示，從p型陽(yáng)極層到電場(chǎng)終止層為止由電子束照射引起的點(diǎn)缺陷充分殘留而形成一樣的壽命分布。此時(shí)的壽命例如為0.1μs～3μs左右。另一方面，在從電場(chǎng)終止層到基板背面的陰極側(cè)，在通過(guò)質(zhì)子的注入，距離基板背面50μm左右和與其相比更靠近陰極側(cè)的位置，氫濃度也增加。通過(guò)該氫原子封端懸掛鍵，從而點(diǎn)缺陷濃度減少。由此，形成電場(chǎng)終止層的深的區(qū)域(距離背面50μm深度～基板背面表層)的壽命與比它淺的區(qū)域相比增加，例如為10μs左右。該值是不進(jìn)行電子束照射時(shí)的壽命值(10μs以上)或充分接近它的值。由此，未圖示的少數(shù)載流子(此時(shí)空穴)的濃度分布能夠成為在陽(yáng)極側(cè)足夠低、在陰極側(cè)足夠高的分布，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)二極管的軟恢復(fù)特性極其理想的載流子濃度分布。

如上所述，在基板的深度方向通過(guò)電子束照射而導(dǎo)入點(diǎn)缺陷，通過(guò)來(lái)自基板背面的質(zhì)子注入來(lái)形成由氫致施主構(gòu)成的電場(chǎng)終止層，由此減少以形成電場(chǎng)終止層的區(qū)域的空穴(v)和多個(gè)空穴(vv)為主體的點(diǎn)缺陷，使壽命分布成為對(duì)軟恢復(fù)特性有效的分布。

工業(yè)上的可利用性

如上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法在例如工業(yè)用或者汽車用的馬達(dá)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制中使用的功率半導(dǎo)體裝置中有用。