1000°C的溫度下在氧化氣氛中進行熱處理以將氧引入第一半導體層的引入步驟。
[0042]在引入步驟中，可將濃度大于或等于I X 116原子/cm 3的氧引入第一半導體層。
[0043]在第二形成步驟中，可通過用氫離子的照射來形成氫致供體、由此形成寬緩沖區(qū)。
[0044]第一半導體層可以是FZ娃襯底。
[0045]根據(jù)本發(fā)明，寬緩沖區(qū)設置在電阻率Ptl(Qcm)相對于額定電壓Vtl(V)滿足0.12V0^ P。彡0.25V^的第一半導體層(漂移層)中。寬緩沖區(qū)的凈摻雜濃度總量大于或等于4.8 X 111原子/cm2且小于或等于1.0X10 12原子/cm2。以此方式，即使當?shù)谝话雽w層的電阻率的變化約為±12%時，也有可能減小半導體器件的擊穿電壓根據(jù)第一半導體層的電阻率的變化而改變的范圍。另外，有可能減小半導體器件的開關特性根據(jù)第一半導體層的電阻率的變化而改變的范圍。
[0046]另外，當在漂移層中形成多個寬緩沖區(qū)時，可精細地控制空間電荷區(qū)在開關期間的擴展。
[0047]在第一半導體層的一個主表面上形成第二半導體層(陽極/基極層)之后，在到比在后續(xù)工藝中形成的第二半導體層或第三半導體層深的部分的投影射程內用氫離子照射第一半導體層的該一主表面或另一主表面，并且在大于或等于300°C且小于或等于550°C的溫度下進行熱處理。以此方式，在上述條件下在第一半導體層(漂移層)中形成寬緩沖區(qū)。在此情況下，第一半導體層的電阻率Ptl(Dcm)相對于額定電壓Vtl (V)滿足上述條件。以此方式，即使當?shù)谝话雽w層的電阻率的變化約為±12%時，也有可能減小半導體器件的擊穿電壓根據(jù)第一半導體層的電阻率的變化而改變的范圍。另外，有可能減小半導體器件的開關特性根據(jù)第一半導體層的電阻率的變化而改變的范圍。
[0048]另外，在第二形成步驟中用氫離子照射襯底時，可防止寬緩沖區(qū)中的電子和空穴迀移率的減小。
[0049]在本發(fā)明中，可使用FZ晶片以低成本制造具有寬緩沖結構的半導體器件。
[0050]發(fā)明效果
[0051]根據(jù)本發(fā)明，可獲取減小擊穿電壓的變化和開關特性的變化的效果。另外，可獲取降低制造成本的效果。
[0052]附圖簡述
[0053][圖1]圖1是示出根據(jù)第一實施例的半導體器件的結構和凈摻雜濃度分布的示圖。
[0054][圖2]圖2是示出制造根據(jù)第一實施例的半導體器件的工藝的示圖。
[0055][圖3]圖3是示出制造根據(jù)第一實施例的半導體器件的工藝的示圖。
[0056][圖4]圖4是示出半導體器件的體電阻率和擊穿電壓之間的關系的特性圖。
[0057][圖5]圖5是示出半導體器件的體電阻率和擊穿電壓的變化寬度之間的關系的特性圖。
[0058][圖6]圖6是示出根據(jù)相關技術的半導體器件的結構和凈摻雜濃度分布的示圖。
[0059][圖7]圖7是示出根據(jù)第二實施例的半導體器件的結構和凈摻雜濃度分布的示圖。
[0060][圖8]圖8是示出根據(jù)第三實施例的半導體器件的結構和凈摻雜濃度分布的示圖。
[0061][圖9]圖9是示出制造根據(jù)第三實施例的半導體器件的工藝的示圖。
[0062][圖10]圖10是示出制造根據(jù)第三實施例的半導體器件的工藝的另一示例的示圖。
[0063][圖11]圖11是示出制造根據(jù)第三實施例的半導體器件的工藝的另一示例的示圖。
[0064][圖12]圖12是示出制造根據(jù)第三實施例的半導體器件的工藝的另一示例的示圖。
[0065][圖13]圖13是示出根據(jù)第四實施例的半導體器件的結構和凈摻雜濃度分布的示圖。
[0066][圖14]圖14是示出當施加反向偏壓時漂移層的凈摻雜濃度分布和內部電場強度分布之間的關系的特性圖。
[0067]用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式
[0068]在下文中，將參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的半導體器件及其制造方法。本發(fā)明不限于以下實施例，只要不背離本發(fā)明的精神和范圍。在以下描述中，一種導電類型是η型，而另一導電類型是P型。然而，即使類型被顛倒也獲取相同的效果。
[0069](第一實施例)
[0070]在下文中將描述其中用質子離子(H+)照射硅晶片且在η_漂移層中形成寬緩沖結構以控制硅晶片中的η_漂移層的雜質濃度的二極管、以及制造二極管的方法。
[0071]圖1是示出根據(jù)第一實施例的半導體器件的結構和凈摻雜濃度分布的示圖。如在圖1中的半導體器件的截面圖(紙面的上側)中所示，在η型半導體襯底(晶片)上形成根據(jù)第一實施例的二極管。晶片的體電阻率為pjDcm)。在晶片的一個主表面上形成P陽極層2。在晶片的另一主表面上形成n+陰極層3。半導體襯底插在P陽極層2 (第二半導體層)和n+陰極層3(第三半導體層)之間的部分(第一半導體層)是η—漂移層I。在P陽極層2的表面上形成陽極電極4。在η+陰極層3的表面上形成陰極電極5。
[0072]在圖1中，如在示出距陽極電極4的距離和凈摻雜濃度(log)之間的關系的特性圖(紙面的下側)中所示，η—漂移層I的凈摻雜濃度具有其中在η—漂移層I的中間附近為峰值且根據(jù)特定梯度朝著P陽極層2和η+陰極層3下降的山狀分布曲線，并且存在其中凈摻雜濃度高于ιΓ漂移層I的凈摻雜濃度的丘狀區(qū)域。η型丘狀區(qū)域被稱為寬緩沖區(qū)6。寬緩沖區(qū)6的雜質濃度分布的局部最大值小于η+陰極層3和P陽極層2的雜質濃度。S卩，寬緩沖區(qū)6設置在η_漂移層I中，并且其凈摻雜濃度大于晶片的體雜質濃度且小于η+陰極層3和P陽極層2的雜質濃度。
[0073]根據(jù)本發(fā)明的二極管的結構具有以下兩個要點:半導體襯底(晶片)的體電阻率Pci(Dcm)相對于二極管的額定電壓Vtl(V)滿足以下表達式2 ;以及寬緩沖區(qū)6的有效劑量(同一層的凈摻雜濃度總量)大于或等于4.8 X 111原子/cm2且小于或等于1.0X10 12原子/ cm2。
[0074][表達式2]
[0075]
[0076]圖2和3是示出制造根據(jù)第一實施例的半導體器件的工藝的示圖?？赏ㄟ^用質子H+Il進行照射(參見圖2(c)和3 (c)))、以及對包括在其一個主表面上形成的P陽極層2和陽極電極4的晶片進行熱處理，從陽極電極形成寬緩沖區(qū)6。接下來，將參考圖2和3詳細描述制造根據(jù)第一實施例的半導體器件的工藝。在本實施例中，例如，將描述制造具有圖1所示的尺寸和凈摻雜濃度的二極管(額定電壓:\= 1200V ;以及額定電流:150A)的情況。
[0077]圖2 (a)至2(g)按順序示出二極管的主要制造工藝。首先，制備電阻率為144 Ω cm至300Ωαιι(例如，150Ωαιι(磷濃度:2.0X 113原子/cm3)且厚度約為500 μ m的FZ晶片10作為晶片(半導體襯底)。FZ晶片10被用作第一半導體層。在下文中，F(xiàn)Z晶片10的雜質濃度被稱為體濃度，而其電阻率被稱為體電阻率(圖2 (a))。當電阻率大于I Ω cm時，電阻率P (Qcm)和供體濃度N(原子/cm3)之間的關系由P = 4.596X 1015/N表示。
[0078]然后，執(zhí)行標準二極管制造工藝以形成將作為第二半導體層的P陽極層2，從而邊緣端接結構部分在FZ晶片10的一個主表面上包括保護環(huán)(未示出)、絕緣膜12、以及陽極電極4。P陽極層2的雜質濃度為例如5X 116原子/cm3，而其距表面的結深度為例如3 μ m。另外，陽極電極4由諸如包括約lwt%的硅的鋁硅(AlSi)之類的鋁合金(在下文中稱為Al-Si (I% ))制成(圖 2(b))。
[0079]然后，用通過回旋加速器加速的質子H+Il照射陽極電極4的表面。此時，回旋加速器的加速電壓為例如7.9MeV，而質子H+Il的劑量為例如2.0X 112原子/cm2。另外，使用鋁吸收器(未示出)，并且調節(jié)該鋁吸收器的厚度以用質子H+II通過鋁吸收器照射FZ晶片10，以使質子H+Il距FZ晶片10的表面的射程為60ym。在圖2(c)中，因用H+Il照射而在FZ晶片中產生的晶體缺陷13由X表示(圖2(c))。
[0080]然后，例如，在350°C下在氮氣氣氛(其可包括氫)中進行熱處理達I小時以彌補晶體缺陷13。以此方式，形成η型高濃度區(qū)以從距晶片的表面60 μm的深度擴展到約±20μπι。高濃度區(qū)是寬緩沖區(qū)6 (在兩條虛線內)(圖2(d))。
[0081]然后，對FZ晶片10的另一主表面(FZ晶片10的后表面)進彳丁研磨和濕法蝕刻30以使FZ晶片10具有期望的厚度。在此階段，當額定電壓Vtl為1200V時，F(xiàn)Z晶片10的厚度通常在100 μ m至160 μ m的范圍內。在第一實施例中，在此階段，F(xiàn)Z晶片10的厚度為120 μπι(圖 2(e)) ο
[0082]然后，將諸如磷離子之類的η型雜質離子注入進行研磨和濕法蝕刻30的FZ晶片10的表面(后表面)。在此情況下，加速電壓為例如50keV，而磷的劑量為例如I X 1i5JH子/cm2(雜質濃度:1 X 119原子/cm 3)(圖2(f))。然后，例如，YAG 二次諧波激光器使用雙脈沖法將激光束發(fā)射到離子注入表面。注入的η型雜質離子(諸如注入的磷離子)通過激光照射來電激活，并且形成將作為η+陰極層3的第三半導體層(圖2(g))。
[0083]雙脈沖法使得來自多個激光照射器件的多個脈沖激光束連續(xù)地照射到每一激光束照射區(qū)域，這些脈沖激光束的照射時序彼此偏離預定延遲時間。在JP-A-2005-223301中公開了雙脈沖法。當激光束通過雙脈沖法來照射時，每一激光束照射區(qū)域的總能量密度為例如3J/cm2。另外，雙脈沖延遲時間為例如300nseC (毫微秒)。
[0084]最后，金屬材料按鋁、鈦、鎳和金的次序沉積在n+陰極層3的表面上以形成與η +陰極層3的表面歐姆接觸的陰極電極5。以此方式，完成二極管。FZ晶片10中的P陽極層2和η+陰極層3之間的半導體襯底的部分處于η—漂移層I中。圖2(g)的右側上所示的特性圖(g_l)是與圖2(g)所示的二極管的截面圖相對應的凈摻雜濃度分布曲線。
[0085]另外，優(yōu)選在二極管制造工藝開始之前增加以下制造工藝。首先，雖然在附圖中未示出，但是將磷硅酸鹽玻璃施加到圖2(a)所示的FZ晶片10上，并且通過推阱(drive-1n)工藝在1300°C下從晶片的兩個表面擴散和引入磷和氧達10小時。然后，刮掉晶片的一個主表面上的磷擴散層，并且隨后將其鏡面拋光。然后，只在1300°C下將與固溶度相對應的最大劑量為I X IO18原子/cm 3的氧引入晶片的另一主表面（例如，后表面），由此形成其中磷擴散層的雜質濃度（表面濃度：1 XlO2tl原子/cm3;而深度：約80 μm)大于晶片的濃度的晶片。然后，使用該晶片來進行二極管制造工藝（圖2(b)之后的工藝）。優(yōu)選增加上述工藝的原因如下。如專利文獻3所公開的，在晶片的后表面上形成且雜質濃度大于晶片的濃度的磷擴散層作為用于吸收諸如重金屬之類的雜質的層，并且來自陽極層的表面的氧濃度到寬緩沖區(qū)的凈摻雜濃度的峰值（在下文中稱為峰值濃度）（即，質子H+的射程Rp)增大，這允許防止寬緩沖區(qū)中的電子和空穴的迀移率因用質子H+Il照射而下降。
[0086]當使用包含低濃度氧的晶片（諸如使用多晶硅作為原材料的FZ晶片）時，可在高于或等于1000°c的溫度下在包含氧的氣氛中執(zhí)行推阱工藝或熱氧化工藝。原因在于，氧在硅襯底中通過熱處理來滲透和擴散，并且晶片的氧濃度增大。在此情況下，氧分布的濃度大于或等于I X IO16原子/Cm3且小于或等于I X 10 17原子/cm3，該濃度是通過二次離子質譜(SIMS)測量來檢測的足夠高的雜質濃度，并且可獲取與防止寬緩沖區(qū)中的電子和空穴的迀移率下降相同的效果。通過在高于或等于1300°C的溫度下的熱處理，氧濃度可大于或等于IXlO18原子/cm3。然而，當氧濃度大于上述值時，可能生成氧沉積或氧致缺陷。因此，優(yōu)選氧濃度小于或等于I X IO18原子/cm3。即，優(yōu)選來自陽極層的表面的氧濃度到寬緩沖區(qū)的峰值濃度（即，質子H+的射程Rp)大于或等于I X 10 16原子/cm3且小于或等于I X 10 18原子/
3
cm ο
[0087]另外，包括當通過用質子H+照射晶片來將氫引入晶片時形成的空穴的復合缺陷與通過所引入氧的供體一起在其中主電流在半導體器件中流動的有源部分、以及邊緣端接結構部分中形成。同樣，緊鄰邊緣端接結構部分下方形成雜質濃度大于η型晶片的濃度的磷擴散層。因此，晶片的電阻率增大，并且緊鄰邊緣端接結構部分下方的雜質濃度增大，這導致當將反向偏壓施加到主Pn結時擴展的耗盡層的等電位線密度增大。以此方式，有可能減少通過絕緣膜的外部電荷引起的擊穿電壓對邊緣端接結構部分的表面的影響。另外，當緊鄰邊緣端接結構部分下方的缺陷密度增大時，其附近的使用期限減小。因此，有可能防止電流或殘余載流子在通電時、以及在反向恢復期間集中在有源部分和邊緣端接結構部分之間的邊界上。
[0088]除了氫（H+)離子以外，鋰離子（Li+)或氧離子（0_)被所照射的充電粒子（離子）變成η型供體。然而，鋰離子或氧離子的質量大于氫離子的質量，并且用相同的能量獲取足夠寬的射程是困難的。因此，當離子必須