本發(fā)明涉及具有igbt、二極管等功率半導體元件的半導體裝置。

背景技術：

現有的溝槽柵型igbt及pin二極管等縱向型的半導體裝置具有縱向構造區(qū)域。作為縱向構造區(qū)域，例如，在igbt的情況下，想到的是在n型的漂移層包含n型的緩沖層及p型的集電極層的區(qū)域，在二極管的情況下，想到的是在n型的漂移層包含n型的緩沖層、n⁺陰極層的區(qū)域。作為具有縱向構造區(qū)域的igbt，例如在專利文獻1中進行了公開。

另外，就具有縱向構造區(qū)域的igbt及二極管等現有的縱向型半導體裝置而言，對于制造半導體裝置的si晶片，使用的是通過外延生長而制造出的晶片。

此時，關于晶片的縱向構造區(qū)域，例如，就igbt而言，n型的緩沖層的雜質分布成為下述分布，即，直至與n型的漂移層之間的接合部為止具有陡峭的雜質的梯度、且為高濃度。

專利文獻1：國際公開第2014/054121號小冊子

技術實現要素：

如上所述的具有縱向構造的半導體裝置的緩沖層的雜質濃度分布存在下述各種問題，即，截止動作的控制性差，并且導致截止時的切斷能力降低等。

本發(fā)明的目的在于，提供一種半導體裝置的構造，該半導體裝置的構造能夠解決上述問題，實現穩(wěn)定的耐壓特性、與斷開時的泄漏電流的減小化相伴的低斷開損耗化、截止動作的控制性的提高、及截止時的切斷能力的提高。

本發(fā)明中的半導體裝置具有：半導體基體，其具有一個主面及另一個主面，包含第1導電型的漂移層(14)而作為主要結構部；第1導電型的緩沖層(15)，其在所述半導體基體內，相對于所述漂移層在另一個主面?zhèn)扰c所述漂移層相鄰地形成；有源層(16、17、18、19)，其形成于所述半導體基體的另一個主面之上，具有第1及第2導電型中的至少一個導電型；第1電極(5e、5a)，其形成于所述半導體基體的一個主面之上；以及第2電極(23c、23k)，其形成于所述有源層之上，在所述緩沖層的主要部分，從一個主面朝向另一個主面的方向上的濃度梯度δ是根據將深度量設為tb(μm)、將雜質濃度設為cb(cm^－3)的位移而由下面的式(1)表示的，所述濃度梯度δ滿足由{0.03≤δ≤0.7}規(guī)定的濃度梯度條件。

[算式1]

發(fā)明的效果

本發(fā)明中的導體裝置，在緩沖層的主要部分，從一個主面朝向另一個主面的方向上的濃度梯度δ滿足濃度梯度條件，因此能夠實現穩(wěn)定的耐壓特性、與斷開時的泄漏電流的減小化相伴的低斷開損耗化、截止動作的控制性的提高、及截止時的切斷能力的提高。

通過下面的詳細說明和附圖，使本發(fā)明的目的、特征、方案以及優(yōu)點變得更加明確。

附圖說明

圖1是表示成為本發(fā)明的基本構造的溝槽柵型igbt的構造的剖視圖。

圖2是表示成為本發(fā)明的基本構造的pin型二極管的構造的剖視圖。

圖3是示意地表示圖1及圖2所示的縱向型的半導體裝置的平面構造的說明圖。

圖4是表示圖1及圖2所示的縱向構造區(qū)域的雜質分布的說明圖。

圖5是圖4中的區(qū)域ra的放大圖。

圖6是表示本發(fā)明提出的縱向構造區(qū)域的思路的說明圖。

圖7是表示本發(fā)明提出的縱向構造區(qū)域的思路的說明圖。

圖8是表示本發(fā)明提出的縱向構造區(qū)域的思路的說明圖。

圖9是表示本發(fā)明提出的縱向構造區(qū)域的思路的說明圖。

圖10是表示有源單元區(qū)域的溝槽柵構造igbt及二極管構造的剖視圖。

圖11是針對第2種二極管，表示與n緩沖層15的濃度梯度δ及n緩沖層15的形成深度的影響相關的模擬結果的曲線圖。

圖12是針對第2種二極管，表示與n緩沖層15的濃度梯度δ及n緩沖層15的形成深度的影響相關的模擬結果的曲線圖。

圖13是表示二極管的通過模擬得到的截止動作時的波形的事例的曲線圖。

圖14是表示二極管的通過模擬得到的截止動作時的波形的事例的曲線圖。

圖15是表示二極管的通過模擬得到的截止動作時的波形的事例的曲線圖。

圖16是表示igbt的通過模擬得到的截止動作時的波形的事例的曲線圖。

圖17是針對第2種二極管，表示本實施方式的n緩沖層15的形成深度的影響的曲線圖。

圖18是表示圖17中的泄漏電流和工作溫度之間的關系的曲線圖。

圖19是表示第2種二極管的恢復動作時的階躍電壓和電源電壓之間的關系的曲線圖。

圖20是表示第2種二極管的恢復動作時的安全動作區(qū)域的曲線圖。

圖21是表示第2種二極管的接通電壓和恢復動作時的損耗之間的折衷特性的曲線圖。

圖22是表示濃度梯度δ及n緩沖層的形成深度，與第2種二極管的器件特性之間的關系的曲線圖。

圖23是表示濃度梯度δ及n緩沖層的形成深度，與第2種二極管的器件特性之間的關系的曲線圖。

圖24是表示濃度梯度δ及n緩沖層的形成深度，與第2種二極管的器件特性之間的關系的曲線圖。

圖25是表示實施方式2的第1方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖26是表示實施方式2的第2方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖27是表示實施方式2的第3方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖28是表示實施方式2的第4方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖29是表示實施方式2的第5方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖30是表示實施方式2的第6方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖31是表示實施方式2的第7方式所涉及的n緩沖層的雜質分布的曲線圖。

圖32是表示在igbt的構造中劑量比率tα的影響的曲線圖。

圖33是針對耐壓和n緩沖層的峰值濃度之間的關系，表示由n輔助層的有無造成的影響的曲線圖。

圖34是表示實施方式1(實施方式2)中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖35是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖36是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖37是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖38是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖39是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖40是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖41是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖42是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖43是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖44是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖45是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖46是表示實施方式1中的igbt的制造方法的剖視圖。

圖47是表示實施方式1(實施方式2)中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖48是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖49是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖50是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖51是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖52是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖53是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖54是表示實施方式1中的第2種二極管的制造方法的剖視圖。

圖55是表示實施方式3的半導體裝置的第1方式的剖視圖。

圖56是表示實施方式3的半導體裝置的第2方式的剖視圖。

圖57是表示實施方式3的半導體裝置的第3方式的剖視圖。

圖58是表示實施方式3的半導體裝置的第4方式的剖視圖。

圖59是表示實施方式3的半導體裝置的第5方式的剖視圖。

圖60是表示在采用具有實施方式3的第1方式的構造的igbt的情況下的截止切斷能力的安全動作區(qū)域的曲線圖。

圖61是表示在采用具有實施方式3的第3及第4方式的構造的第2種二極管的情況下的截止切斷能力的安全動作區(qū)域的曲線圖。

具體實施方式

＜發(fā)明的原理＞

本發(fā)明涉及半導體裝置的具有以下特征(a)～(c)的縱向構造區(qū)域，該半導體裝置具有作為功率模塊(耐壓(額定電壓)大于或等于600v)的關鍵組件的功率半導體元件，即，以igbt及二極管為代表的雙極類功率半導體元件。

(a)提高斷開狀態(tài)的電壓切斷能力，且減小高溫下的泄漏電流，實現低斷開損耗、高溫動作的縱向構造區(qū)域，

(b)抑制截止動作終結時的電壓過沖現象(下面，簡記為“階躍(snap-off)現象”)、以此為觸發(fā)的振蕩現象的縱向構造區(qū)域，

(c)截止動作時的切斷能力提高的縱向構造區(qū)域。

此外，特征(a)的斷開狀態(tài)的電壓切斷能力是指，電流不流動的靜態(tài)(static)狀態(tài)下的電壓保持能力，(c)的截止動作時的切斷能力表示的是，電流流動時的動態(tài)(dynamic)狀態(tài)下的電壓保持能力。

不僅對于使用si作為半導體材料的半導體器件有效，對于使用了碳化硅(sic)、氮化鎵(gan)等寬帶隙材料的半導體器件也有效。并且，在下面敘述的實施方式中，舉例示出了1700～6500v的高耐壓等級的半導體裝置，但無論耐壓等級如何，針對上述目的都有效。

圖1是表示成為本發(fā)明的基本構造的溝槽柵型igbt的構造的剖視圖。圖2是表示成為本發(fā)明的基本構造的pin型二極管的構造的剖視圖。

在圖1中，對有源單元區(qū)域(activecellarea)r1的構造進行說明。在n^－漂移層14的下表面(另一個主面)形成有n緩沖層15。相對于n^－漂移層14而在下表面?zhèn)刃纬膳cn^－漂移層14相鄰地形成的n緩沖層15。

在n緩沖層15的下表面形成有p型的p集電極層16。在p集電極層16的下表面形成有集電極(collector)電極23c(第2電極)。此外，下面，有時將至少包含n型(第1導電型)的漂移層即n^－漂移層14和n型的緩沖層即n緩沖層15的構造部分稱為“半導體基體”。

在n^－漂移層14的上層部形成有n層11。在n層11的上表面形成有p基極層9。以將p基極層9和n層11沿縱向貫穿的方式填埋有由多晶硅構成的溝槽構造的填埋柵極電極13。填埋柵極電極13隔著柵極絕緣膜12而與n^－漂移層14、n層11、p基極層9、及n+發(fā)射極層36相對。因此，由填埋柵極電極13、n⁺發(fā)射極層7、p基極層9及n層11形成igbt的絕緣柵型晶體管構造。

在p基極層9的表面以與柵極絕緣膜12接觸的方式形成有n型的n⁺發(fā)射極層7。在p基極層9的表面還形成有p⁺層8。在填埋柵極電極13之上形成層間絕緣膜6，以與p⁺層8電連接的方式在n^－漂移層14的上表面(一個主面)之上形成發(fā)射極電極5e(第1電極)。此外，在圖1中，2根填埋柵極電極13中的左側的填埋柵極電極13作為原本的柵極電極而作出貢獻，右側的填埋柵極電極13不作為原本的柵極電極作出貢獻，而是成為發(fā)射極電位的偽柵極電極。

接下來，對中間區(qū)域(interfacearea)r2進行說明。在n^－漂移層14的上層部形成p區(qū)域22，該p區(qū)域22延伸至有源單元區(qū)域r1側，與作為偽電極的填埋柵極電極13相比形成得更深。該p區(qū)域22作為保護環(huán)起作用。

在n^－漂移層14的上表面之上形成絕緣膜25，在絕緣膜25之上形成層間絕緣膜6及填埋柵極電極13的一部分(表面柵極電極部)，在層間絕緣膜6、6間的上述表面柵極電極部之上形成作為柵極電極起作用的電極5x。該電極5x是與有源單元區(qū)域r1的發(fā)射極電極5e同時且獨立于發(fā)射極電極5e地形成的。

接下來，對末端區(qū)域(edgeterminationarea)r3進行說明。在n^－漂移層14的上層部選擇性地形成p區(qū)域22。該p區(qū)域22作為場環(huán)起作用。另外，也一并形成與有源單元區(qū)域r1的絕緣柵型晶體管構造相同的構造。

如上所述，p區(qū)域22在中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3各自處，是作為發(fā)揮耐壓保持功能的區(qū)域而設置的。此外，末端區(qū)域r3的絕緣柵型晶體管構造中的n⁺發(fā)射極層7及n層11是為了阻止從p區(qū)域22和n^－漂移層14之間的pn結部延伸的耗盡層的延伸而設置的。

在n^－漂移層14的上表面之上選擇性地形成絕緣膜25及層間絕緣膜6的層疊構造，形成與p區(qū)域22及填埋柵極電極13電連接而成為浮動電極的電極5y。該電極5y是與有源單元區(qū)域r1的發(fā)射極電極5e同時且獨立于發(fā)射極電極5e及電極5x地形成的。

而且，橫跨有源單元區(qū)域r1、中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3而在發(fā)射極電極5e、電極5x及5y之上形成鈍化膜20，在鈍化膜20及有源單元區(qū)域r1的發(fā)射極電極5e的一部分之上形成鈍化膜21。

另外，在有源單元區(qū)域r1、中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3間共通地形成igbt用縱向構造區(qū)域27g，縱向構造區(qū)域27g是由n^－漂移層14及n緩沖層15、p集電極層16及集電極電極23c形成的層疊構造，其中，n^－漂移層14及n緩沖層15構成半導體基體。

在圖2中，對有源單元區(qū)域r1的構造進行說明。在n^－漂移層14的下表面(另一個主面)形成有n緩沖層15。在n緩沖層15的下表面形成有n⁺陰極層17。在n⁺陰極層17的下表面形成有陰極電極23k(第2電極)。

在n^－漂移層14的上層部形成有p陽極層10(一個電極區(qū)域)。由p陽極層10、n^－漂移層14、n緩沖層15及n⁺陰極層17形成pin型的二極管構造。而且，在p陽極層10的上表面(一個主面)之上形成陽極電極5a(第1電極)。

接下來，對中間區(qū)域r2進行說明。在n^－漂移層14的上層部形成p區(qū)域22，該p區(qū)域22延伸至有源單元區(qū)域r1側而與p陽極層10連結，此時，p區(qū)域22與p陽極層10相比形成得更深。該p區(qū)域22作為保護環(huán)起作用。

在n^－漂移層14的上表面之上形成絕緣膜25，在絕緣膜25之上形成層間絕緣膜6，在層間絕緣膜6之上的一部分形成電極5z。電極5z是與有源單元區(qū)域r1的陽極電極5a同時且獨立于陽極電極5a地形成的。

接下來，對末端區(qū)域r3進行說明。在n^－漂移層14的上層部選擇性地形成p區(qū)域22。該p區(qū)域22作為場限環(huán)起作用。另外，在n^－漂移層14的表面與p區(qū)域22獨立地選擇性地形成n⁺層26。設置n⁺層26的目的在于，阻止p層22和n漂移層14的接合部所延伸的耗盡層的延伸。p區(qū)域22成為耐壓等級越高，則p區(qū)域22的條數越增加的構造。

在n^－漂移層14上表面之上選擇性地形成絕緣膜25及層間絕緣膜6的層疊構造，與p區(qū)域22及n⁺層26電連接地形成電極5z。

而且，橫跨中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3而在陽極電極5a及電極5z之上形成鈍化膜20，在鈍化膜20及中間區(qū)域r2的陽極電極5a的一部分之上形成鈍化膜21。

另外，在有源單元區(qū)域r1、中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3間共通地形成二極管用縱向構造區(qū)域27d，縱向構造區(qū)域27d是由n^－漂移層14及n緩沖層15、n⁺陰極層17及陰極電極23k構成的層疊構造，其中，n^－漂移層14及n緩沖層15成為半導體基體。

圖3是示意地表示igbt、二極管等縱向型的半導體裝置的平面構造的說明圖。如該圖所示，在中央部形成多個有源單元區(qū)域r1，在有源單元區(qū)域r1、r1間設置表面柵極配線部r12，并且在一部分的區(qū)域設置柵極焊盤部r11。

將有源單元區(qū)域r1、柵極焊盤部r11及表面柵極配線部r12的周邊包圍而形成中間區(qū)域r2，進一步將中間區(qū)域r2的周邊包圍而設置末端區(qū)域r3。此外，圖1及圖2所示的構造相當于圖3的a1－a1剖面。

上述的有源單元區(qū)域r1是保障功率半導體芯片的基本性能的區(qū)域，中間區(qū)域r2是有源單元區(qū)域r1和末端區(qū)域r3接合的區(qū)域，且是保障功率半導體的動態(tài)動作時的擊穿耐量、支撐有源單元區(qū)域r1(的半導體元件)的原本性能的區(qū)域。

另外，末端區(qū)域r3是具有下述作用的區(qū)域，即，保障靜態(tài)(static)狀態(tài)下的耐壓保持、耐壓特性的穩(wěn)定性及可靠性，抑制動態(tài)動作時的擊穿耐量故障，支撐有源單元區(qū)域r1的原本性能。

縱向構造區(qū)域27(縱向構造區(qū)域27g、縱向構造區(qū)域27d)成為具有下述作用的區(qū)域，即，保障總損耗(將接通狀態(tài)的損耗和截止狀態(tài)的損耗相加后的損耗)性能、靜態(tài)狀態(tài)下的耐壓保持、耐壓特性的穩(wěn)定性、高溫下的泄漏特性穩(wěn)定性、可靠性，保障動態(tài)動作時的控制性、擊穿耐量，支撐功率半導體的基本性能。

圖4是表示圖1及圖2所示的縱向構造區(qū)域27(縱向構造區(qū)域27g及縱向構造區(qū)域27d)的雜質分布的說明圖。

就現有的igbt及二極管等縱向型的半導體裝置而言，對于制造半導體裝置的晶片，使用的是通過外延生長而制造出的晶片。其結果，如圖4所示的雜質分布pr這樣，n緩沖層15的雜質分布成為如下的特征性分布，即，從n緩沖層15起至n^－漂移層14與n緩沖層15的接合部j20為止具有陡峭的雜質梯度、且為高濃度，類似于在左下呈直角狀的盒狀。

在設置了如上所述的雜質分布pr的緩沖層15(nref(15))的情況下，在諸如igbt及二極管各自的截止動作這樣的動態(tài)動作時，根據器件內部的載流子等離子狀態(tài)和電場強度分布之間的關系，n緩沖層15～n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部附近的載流子等離子層枯竭。此外，載流子等離子層是指電子及空穴濃度大致相同的高載流子濃度的中性層，是指n型或者p型(第2導電型)的載流子密度超過10¹⁶cm^－3，比n^－漂移層14的摻雜載流子濃度高出2～3數量級的高載流子濃度層。

發(fā)生n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部的電場強度的上升、在截止波形上發(fā)生階躍現象及此后發(fā)生振蕩現象，或者由階躍現象對器件造成破壞。

其結果，就現有的縱向型的igbt、二極管而言，截止動作的控制性變差，且導致截止時的切斷能力降低。并且，對于諸如發(fā)生階躍現象及此后引起振蕩現象這樣的igbt、二極管，在包含搭載這種igbt、二極管的功率模塊在內的逆變器系統中，包含導致產生噪聲在內，會成為導致誤動作的原因。

作為至今為止的上述問題的解決手段之一，選擇的是使n^－漂移層14的參數變得恰當這一方法，即，將n^－漂移層14的厚度變厚以使得在截止動作時耗盡層不與n緩沖層15抵接，或提高n^－漂移層14的雜質濃度而減小其波動等。

但是，如果將n^－漂移層14的厚度變厚，則顯現出igbt、二極管這兩者的接通電壓上升、總損耗增加這樣的反作用。另一方面，減小n^－漂移層14的雜質濃度的波動會對si晶片制造技術、所使用的si晶片造成限制，導致si晶片成本的提高。如上所述，為了提高器件性能，現有的igbt、二極管存在進退兩難的技術課題。

另外，就上述現有的通過外延生長制造的晶片而言，在處于高耐壓(≥1700v)的情況下，n^－漂移層14變厚，如果通過外延法形成，則依賴于通過外延法形成的si厚度的結果是，存在si晶片成本變得非常高這樣的缺點。

此外，即使耐壓小于或等于1700v等級，如果使用上述si晶片，則igbt、二極管等的芯片成本也會變高，成為下述狀態(tài)，即，無法滿足市場所期望的性能表現提高且性價比好的芯片這一要求。

因此，首先，作為使用的si晶片材料，需要研究的是，是否可以不使用上述現有的通過外延生長制造的晶片，而是使用通過fz(floatingzone)法且根據各個耐壓等級所需的n^－漂移層14的濃度對半導體基體的雜質濃度進行設定，且不會由于耐壓等級而使si晶片成本變化的si晶片。

現有的縱向型的igbt及二極管，如前所述在動態(tài)動作時，根據器件內部的載流子等離子狀態(tài)和電場強度分布之間的關系，n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部附近的載流子等離子層枯竭，發(fā)生n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部的電場強度的上升、在截止波形上發(fā)生階躍現象及此后發(fā)生振蕩現象，或者由階躍現象對器件造成破壞。其結果，igbt、二極管這兩者的截止動作的控制性變差且截止時的切斷能力降低。

如上所述，在現有的igbt、二極管技術中，難以一邊對動態(tài)動作時的器件內部狀態(tài)進行控制，一邊提高截止動作的控制性及截止切斷能力，難以實現功率半導體的基本性能即接通電壓的低接通電壓化、保障穩(wěn)定的耐壓特性。另外，認為從芯片成本出發(fā)，并不使用通過外延生長制作的晶片，使用通過fz法制作的fz晶片的、解決上述課題的縱向構造區(qū)域(特別是n緩沖層15的構造)是重要的。

本發(fā)明的目的在于，使用上述的fz晶片，解決現有的igbt及二極管所具有的器件性能方面的窘境，實現低接通電壓、穩(wěn)定的耐壓特性、由于斷開時的低泄漏電流導致的低斷開損耗化、截止動作的控制性的提高、截止切斷能力的大幅提高。

圖6～圖9是表示本發(fā)明提出的縱向構造區(qū)域的思路的說明圖。圖6示出接通狀態(tài)(underon-state)下的載流子濃度cc、雜質分布(摻雜分布)dp2，圖7及圖8示出電壓切斷狀態(tài)(underblockingvoltagestate)及動態(tài)狀態(tài)(dynamicstate)下的載流子濃度cc、雜質分布dp2及電解區(qū)域df。此外，在圖6～圖8中，上部所示的數字示出的是圖2所示的p陽極層10等二極管的結構要素。

另外，圖9示出半導體裝置為igbt時的雜質分布dp1。此外，在圖9中，上部所示的數字示出的是n⁺發(fā)射極層7等圖1所示的igbt的結構要素。

關于由與現有的igbt及二極管相關的縱向構造區(qū)域27的問題引起的上述技術課題，認為如果實現下面的縱向構造區(qū)域27(特別是n緩沖層15的構造)，則能夠得到解決。下面所示的概念在縱向型的igbt、二極管間是共通的。即，是能夠共通地應用至圖1所示的igbt構造、圖2所示的二極管構造的概念。

對于構成本發(fā)明提出的縱向構造區(qū)域27(縱向構造區(qū)域27g及縱向構造區(qū)域27d)的n緩沖層15，其構造的思路如以下的(i)～(iii)所示。

(i)關于截止動作時的n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部附近的載流子等離子層的枯竭現象，如圖6的區(qū)域a11、圖8的區(qū)域a12所示，在n緩沖層15的內部也發(fā)生器件接通狀態(tài)的電導率調制現象以使得載流子等離子層得以殘存，進行n緩沖層15的低濃度化以使得載流子等離子層得以存在。由于載流子等離子層是濃度大于或等于10¹⁶cm^－3的高濃度層，因此n緩沖層15的濃度設為小于或等于10¹⁶cm^－3的濃度(10¹⁵cm^－3數量級)。如上所述，將n緩沖層15的雜質濃度降低至在n緩沖層15殘存載流子等離子層的程度。

(ii)如圖7的區(qū)域a21、圖8的區(qū)域a22所示，使n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部附近的濃度梯度平緩，以使得在靜態(tài)狀態(tài)下將電場強度止于n緩沖層15的內部，在動態(tài)動作時使耗盡層在n緩沖層15內部平緩地延伸。

(iii)設為低濃度、存在濃度梯度且深(厚)的n緩沖層15，由此將內置于igbt、二極管(后面記述的第2種二極管)的pnp雙極晶體管的電流放大率(αpnp)降低，實現由斷開時的低泄漏電流導致的低斷開損耗化。

如上所述，本發(fā)明是將縱向構造區(qū)域27的n緩沖層15作為承擔在器件動作時對器件內部的載流子等離子狀態(tài)進行控制這一作用的重要的層，實現了雜質濃度、形成深度的優(yōu)化。

＜實施方式1＞

實施方式1的半導體裝置是與以igbt及二極管為代表的縱向型半導體裝置的縱向構造區(qū)域27(縱向構造區(qū)域27g及縱向構造區(qū)域27d)的n緩沖層15相關的技術，具有抑制導通動作時的階躍現象、此后的振蕩現象的效果，提高斷開狀態(tài)的耐壓切斷能力，且降低高溫下的泄漏電流，實現低斷開損耗、高溫動作。

圖10是表示圖3中的有源單元區(qū)域r1內的a2－a2剖面處的包含本發(fā)明的技術的溝槽柵構造igbt及二極管構造的剖視圖。此外，圖10(b)的e－e剖面相當于作為發(fā)明的原理而敘述的圖6～圖8的形成深度(depth)的橫軸。

該圖(a)示出圖1所示的構造的igbt，該圖(b)示出圖2所示的二極管，該圖(c)示出的是針對圖2所示的二極管，將n⁺陰極層17置換為p陰極層18(第2部分有源層)及n⁺陰極層19(第1部分有源層、另一個電極區(qū)域)的組合后的二極管。下面，有時將圖10(b)所示的二極管稱為“第1種二極管”，將圖10(c)所示的二極管稱為“第2種二極管”。

圖10所示的n^－漂移層14的雜質濃度為1.0×10¹²～1.0×10¹⁵cm^－3，是使用通過fz(floatingzone)法制作出的fz晶片而形成的。

圖10中的igbt及二極管各自的各擴散層是以成為下面的參數的方式在實際的晶片工藝中使用離子注入及退火技術而形成的。

p基極層9：峰值濃度設定為1.0×10¹⁶～1.0×10¹⁸cm^－3，關于形成深度，是以比n⁺發(fā)射極層7深、比n層11淺的接合深度形成。

n層11：峰值(雜質)濃度設定為1.0×10¹⁵～1.0×10¹⁷cm^－3，關于形成深度，是以比p基極層9深0.5～1.0μm的接合深度形成。

n⁺發(fā)射極層7：峰值濃度設定為1.0×10¹⁸～1.0×10²¹cm^－3，關于形成深度，是以0.2～1.0μm形成。

p⁺層8：表面(雜質)濃度設定為1.0×10¹⁸～1.0×10²¹cm^－3，關于形成深度，是以與n⁺發(fā)射極層7相同或者更深的形成深度形成。

n緩沖層15(igbt及二極管通用)：峰值濃度pc設定為2.0×10¹⁴～1.0×10¹⁶cm^－3，關于形成深度tnb，是以4.0～50μm形成。

p集電極層16：表面濃度設定為1.0×10¹⁶～1.0×10²⁰cm^－3，關于形成深度，是以0.3～1.0μm形成。

p陽極層10：表面濃度設定為大于或等于1.0×10¹⁶cm^－3，峰值濃度設定為2.0×10¹⁶～1.0×10¹⁸cm^－3，關于形成深度，是以2.0～10.0μm形成。

n⁺陰極層17：表面濃度設定為1.0×10¹⁸～1.0×10²¹cm^－3，關于形成深度，是以0.3～1.0μm形成。

p陰極層18：表面濃度設定為1.0×10¹⁶～1.0×10²⁰cm^－3，關于形成深度，是以0.3～1.0μm形成。

圖10(c)所示的第2種二極管與圖7所示的第1種二極管相比，得到將陰極側的電場強度緩和的電場緩和現象等日本專利第5256357號、日本特開2012-9811號所示的二極管性能方面的特征性效果。

此外，上述的“形成深度”如圖10所示，在p集電極層16(包含n⁺陰極層17、p陰極層18及n⁺陰極層19，下面以p集電極層16為代表進行記述)及n緩沖層15的情況下，是指從p集電極層16的下表面即基準位置sp1至p集電極層16的上表面及n緩沖層15的上表面為止的距離。換言之，n緩沖層15的形成深度tnb是從n^－漂移層14和n緩沖層15的接合部(界面)至集電極電極23c(陰極電極23k)和p集電極層16的接合面為止的距離。

關于其他區(qū)域(p基極層9、n層11、n⁺發(fā)射極層7等)，是指將n^－漂移層14的最上表面作為基準位置sp2，從基準位置sp2至p基極層9、n層11及n⁺發(fā)射極層7等的下表面為止的距離。

另外，在圖10中，tnb表示n緩沖層15的形成深度，“t14”表示n^－漂移層14的形成深度。另外，器件長度td表示igbt或者二極管的縱向的長度(厚度)。

在前述的圖4中，示出圖10(a)中的b－b剖面、圖10(b)中的c－c剖面、圖10(c)中的d－d剖面處的深度方向上的雜質分布。

圖4的橫軸的0μm點是p集電極層16、n⁺陰極層17或者p陰極層18及n⁺陰極層19的下表面，該p集電極層16、n⁺陰極層17或者p陰極層18及n⁺陰極層19為圖10中的igbt或者二極管的有源層。下面，主要將igbt的p集電極層16作為有源層的代表而進行說明。在圖中，示出現有技術的相同部位的雜質分布pr及實施方式1的雜質分布dp1。此外，圖4的縱軸是將n^－漂移層14的雜質濃度按照10¹進行標準化后的雜質濃度的軸。

在圖4的區(qū)域ra，示出n緩沖層15的主要區(qū)域的現有技術的雜質分布pr和實施方式1的雜質分布dp1(實線)。

實施方式1的半導體裝置的n緩沖層15的雜質分布dp1，相對于現有技術的n緩沖層15的雜質分布pr為低濃度且具有朝向n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部j21而在深度方向上平緩的濃度梯度。并且，本實施方式的n緩沖層15形成為比現有技術深，即，從p集電極層16的下表面至n緩沖層15的上表面為止的距離變長，以使得與n^－漂移層14的接合部相比于現有技術的接合部j20向上方(在圖中為右側)移動而成為接合部j21。

圖5是圖4中的區(qū)域ra的放大圖。在圖5中，為了定量地示出本實施方式的n緩沖層15的特征即在深度方向上濃度梯度平緩與二極管的電氣特性之間的關系，將n緩沖層15的主要區(qū)域的濃度梯度δ通過下式(1)進行表示。

[算式2]

在式(1)中，分母是指膜厚位移δtb(μm)，分子是指濃度位移δlog10cb(cm^－3)。濃度位移δlog10cb是n緩沖層15的雜質濃度cb的變化量，是log的底數為10的常用對數的濃度(concentration)變化，膜厚位移δtb是n緩沖層15的深度方向的變化量。

另外，在本實施方式中，關于n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部，將圖5所示的濃度梯度線lδ的延長線和n^－漂移層14的雜質濃度的延長線相交叉的點定義為準確的接合部j21。

圖11及圖12分別是使用圖10(c)所示的第2種二極管，示出與n緩沖層15的濃度梯度δ(的值)及n緩沖層15的形成深度tnb對耐壓為1700v等級時的“jr(電流密度：a/cm²)vs.vr(反向電壓：v)”特性造成的影響相關的模擬結果(工作溫度298k)的曲線圖。

此外，在圖11中，特性曲線l50表示現有構造的特性，特性曲線l1h表示濃度梯度δ較高的情況下的特性，特性曲線l1l表示濃度梯度δ較低的情況下的特性。此外，濃度梯度δ較高是指例如δ＝0.47的情況，濃度梯度δ較低是指例如δ＝0.083的情況。下面，關于濃度梯度δ，在記述為較高、較低的情況下也同樣如此。

另外，在圖12中，特性曲線l21～l24表示n緩沖層15的形成深度(從p陰極層18及n⁺陰極層19的下表面至n緩沖層15的上表面為止的距離)為1.0、7.5、30.0及50.0(μm)的情況。

如這些圖所示，n緩沖層15的濃度梯度δ及形成深度這些參數，雖然也對靜態(tài)切斷耐壓(bvrrm)造成影響，但對“jrvs.vr”特性的在大電流密度區(qū)域觀察到的二次擊穿現象(“s字形曲線”、與靜態(tài)切斷耐壓(bvrrm)相比大電流區(qū)域的耐壓降低的現象)的影響是顯著的。

如圖11及圖12所示，在“jrvs.vr”特性上發(fā)生二次擊穿現象的理由如下。在二極管構造中，如果耗盡層向圖2所示的縱向構造區(qū)域27d延伸、進行耐壓保持，則主接合部(p陽極層10/n^－漂移層14的接合部)的電場強度產生高電場化。

其結果，在上述主接合部發(fā)生碰撞離子化現象，由碰撞離子化而產生的電子由于n^－漂移層14中的高電場而在n^－漂移層14中向陰極側(縱向構造區(qū)域27d的方向)行進。因此，電子向n緩沖層15注入，如果其濃度與n緩沖層15中的載流子濃度相比產生高濃度化，則陰極側的電場強度變高。

其結果，施加至上述主接合部的陰極側的電場強度也變高，在“jrvs.vr”特性中，產生如箭頭pj1～pj3所示的二次擊穿發(fā)生點，發(fā)生使耐壓降低的二次擊穿現象。

該現象在內置pnp雙極晶體管構造的第2種二極管、igbt中顯著地發(fā)生?！癹rvs.vr”特性的在大電流密度區(qū)域觀察到的二次擊穿的內側(特性曲線l1h等特性曲線的圖中左側)，示出對于igbt、二極管這些器件而言在截止動作時均能夠切斷的區(qū)域。

二次擊穿后的電壓降低動作小會使切斷能力進一步提高。另外，圖11所示的二次擊穿發(fā)生點pj1～pj3的電流密度越高，則作為二極管來說，會預見到截止動作時的能夠切斷的電流密度增加、靜態(tài)狀態(tài)的雪崩時的擊穿耐量提高。

由此，優(yōu)選圖11及圖12所示的“jrvs.vr”特性的在大電流區(qū)域觀察到的二次擊穿盡可能小、且實現了二次擊穿發(fā)生點的大電流密度化的高性能的第2種二極管。即，所關注的n緩沖層15的參數即濃度梯度δ小、形成深度深具有抑制二次擊穿現象的效果。

圖13～圖15及圖16分別是表示二極管及igbt的通過模擬得到的截止動作時的波形的事例的曲線圖。

圖13、圖14及圖15分別是耐壓為1700v及4500v等級的二極管的事例。圖16是耐壓為4500v等級的igbt的事例。各igbt、(第1種及第2種)二極管的構造是圖10所示的器件構造。圖13是1700v的圖10(b)所示的第1種二極管的構造。圖14是1700v的圖10(c)所示的第2種二極管的構造。圖15是4500v的第2種二極管。

在圖13中，電壓變化l31及l(fā)32示出在n緩沖層15的形成深度tnb為1.0及50.0(μm)的情況下的陽極-陰極間電壓vak(v)的變化，電流密度變化l41及l(fā)42示出n緩沖層15的形成深度tnb為1.0及50.0(μm)的情況下的(陽極)電流密度ja(a/cm²)。

在圖14中，電壓變化l30示出現有構造(及雜質濃度)的陽極-陰極間電壓vak，電壓變化l3l及l(fā)3h示出n緩沖層15的濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的陽極-陰極間電壓vak(v)的變化。另外，電流密度變化l40示出現有構造的電流密度ja，電流密度變化l4l及l(fā)4h示出濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的電流密度ja。

在圖15中，電壓變化l50示出現有構造的陽極-陰極間電壓vak，電壓變化l5l示出n緩沖層15的濃度梯度δ為較低的濃度的情況下的陽極-陰極間電壓vak(v)的變化。另外，電流密度變化l60示出現有構造的電流密度ja，電流密度變化l5l示出濃度梯度δ為較低的濃度的情況下的電流密度ja。

在圖16中，電壓變化l70示出現有構造的集電極-發(fā)射極間電壓vce(v)，電壓變化l71示出n緩沖層15的濃度梯度δ為較低的濃度的情況下的第1方式(不具有后面記述的實施方式2的n輔助層29的、圖10(a)所示的構造)的集電極-發(fā)射極間電壓vce，電壓變化l72示出n緩沖層15的濃度梯度δ為較低的濃度的情況下的第2方式(具有后面記述的n輔助層29的、后面記述的圖25所示的構造等)的集電極-發(fā)射極間電壓vce。另外，電流密度變化l80示出現有構造的電流密度ja(a/cm²)，電流密度變化l81及l(fā)82示出濃度梯度δ為較低的濃度的情況下的上述第1及第2方式的電流密度ja。

另外，在圖13中，示出作為通斷條件，動作電壓vcc為1100v、電流密度jf為20a/cm²(0.1ja)、dj/dt＝4300a/cm²μs、雜散電感l(wèi)s為1.0μh、工作溫度為298k的情況下的快速恢復(snaprecovery)波形。

在圖14中，示出作為通斷條件，動作電壓vcc為1200v、電流密度jf為20a/cm²(0.1ja)、dj/dt＝4200a/cm²μs、ls＝1.0μh、工作溫度為298k的情況下的快速恢復波形。

在圖15中，示出作為通斷條件，動作電壓vcc為3500v、電流密度jf為9.6a/cm²(0.1ja)、ls＝2.0μh、工作溫度為298k的情況下的快速恢復波形。

在圖16中，示出作為通斷條件，動作電壓vcc為2800v、(集電極)電流密度jc為56a/cm²、ls＝2.48μh、工作溫度為398k的情況下的截止波形。

在圖13中，示出二極管的截止動作時(恢復動作時)的性能指標即階躍電壓vsnap-off(恢復動作時的過沖電壓(overshootvoltage))及dj/dt(dj/dt：恢復動作時的電流密度ja波形的斜率)及djr/dt(djr/dt：恢復動作終結時的電流密度ja波形的斜率)。階躍電壓vsnap-off值越小，則二極管的截止動作的控制性越優(yōu)異，表示存在對階躍現象及此后發(fā)生的振蕩現象的抑制效果。作為階躍電壓vsnap-off的值的基準，從抑制二極管的恢復動作時的由階躍現象引起的器件破壞的觀點出發(fā)，優(yōu)選靜態(tài)耐壓(bvrrm)更低。關于dj/dt，示出的是，dj/dt越大，則作為二極管來說，變得能夠進行高速的恢復動作，截止動作時的擊穿耐量、安全動作區(qū)域soa(safeoperatingarea)越大。

djr/dt越大意味著本發(fā)明的目的(i)所示的截止動作時的陰極區(qū)域的殘留的載流子等離子層的濃度越高，對低階躍電壓vsnap-off作出貢獻。

如圖13～圖16所示，可知就現有的igbt、二極管而言，在各自的截止動作時，發(fā)生上述的階躍現象及此后的振蕩現象。特別地，如圖14、圖15及圖16所示，在現有構造中，能夠推定出強烈地產生階躍現象、階躍電壓vsnap-off值變大、截止動作時的控制性變差的可能性，如果將本器件搭載于功率模塊，則作為系統來說成為產生噪聲的原因。

另一方面，通過使用本發(fā)明的具有濃度梯度δ的n緩沖層15，從而如圖13～圖16所示，對于任意耐壓等級的igbt、二極管，階躍現象時的階躍電壓vsnap-off值均變小或者抑制了階躍現象。由此可知，如果使用本實施方式的n緩沖層15，則截止動作時的控制性變好。通過圖13，可知本發(fā)明的n緩沖層15的形成深度tnb越深，djr/dt越大，越具有階躍電壓vsnap-off降低的效果。

圖17是表示本實施方式的n緩沖層15的形成深度tnb對試制出的耐壓為4500v的二極管(二極管構造為圖10(c)所示的第2種二極管)的“jrvs.vr特性”的影響的曲線圖。

在該圖中，電流密度變化l911～l913示出將n緩沖層15的深度tnb設為1.0μm的工作溫度398k、423k及448k的情況下的“jrvs.vr特性”。電流密度變化l921～l923示出將n緩沖層15的形成深度tnb設為25.0μm的工作溫度398k、423k及448k的情況下的電流密度jr。電流密度變化l931～l933示出將n緩沖層15的形成深度tnb設為40.0μm的工作溫度398k、423k及448k的情況下的“jrvs.vr特性”。此外，圖17的橫軸是反向電壓vr(v)。

圖18是表示圖17中的vr＝4500v處的泄漏電流密度(a/cm²)和工作溫度(operatingtemperature)(k)之間的關系的曲線圖。在該圖中，電流密度變化l101～l103示出n緩沖層15的深度tnb分別為1.0、25.0及40.0(μm)的情況下的電流密度jr。此外，圖18的橫軸是工作溫度(k)。

如圖17及圖18所示，n緩沖層15的形成深度tnb對二極管的泄漏特性也造成影響，在形成深度tnb為1.0μm的情況下，在工作溫度448k時引起由芯片本身的熱失控(thermalrunaway)造成的熱破壞現象，但通過將n緩沖層15的深度tnb形成得更深，從而能夠減少斷開時的泄漏電流，實現低斷開損耗化及高溫下的動作。

如上所述，由n緩沖層15對泄漏電流造成的影響的原因被認為是，pnp雙極晶體管(p陽極層10+n^－漂移層14及n緩沖層15+p陰極層18)與pin二極管被并聯地裝入至圖10(c)所示的第2種二極管，如果n緩沖層15的形成深度tnb變深，則pnp雙極晶體管的基極寬度變大，電流放大率αpnp變小。由此，就第2種二極管的構造而言，從為了在高溫下動作而使內置的pnp雙極晶體管不動作的觀點出發(fā)，n緩沖層15的形成深度tnb變得重要，優(yōu)選形成得更深。對于內置pnp晶體管的igbt(圖10(a))也同樣適用。

圖19是表示試制出的耐壓為4500v的二極管(二極管構造為圖10(c)所示的第2種二極管)的恢復動作時的階躍電壓vsnap-off(v)和電源電壓vcc(v)之間的關系的曲線圖?？v軸示出圖13所示的恢復動作時的階躍電壓vsnap-off值，橫軸示出vcc。

在該圖中，電壓變化l120示出在第1種二極管的現有構造的情況下的階躍電壓vsnap-off，電壓變化l12l及l(fā)12h示出在第1種二極管的實施方式1的構造的濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的階躍電壓vsnap-off。電壓變化l13l及l(fā)13h示出在第2種二極管的濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的階躍電壓vsnap-off。

在圖19中，圓框中有×的標記表示器件破壞的點(destructionpoint)。關于第1種二極管及第2種二極管的對“階躍電壓vsnap-offvs.vcc”關系的行為的影響如例如在日本專利第5256357號中公開所示，是將陰極側的電場強度緩和的電場緩和現象等二極管性能方面的機理所造成的影響。

如果將使用了電壓變化l120所示的現有的n緩沖層15的現有構造、和使用電壓變化l12l、l12h、l13l及l(fā)13h所示的具有濃度梯度δ的本實施方式的n緩沖層15的樣本進行比較，則可知使用實施方式1的n緩沖層15的情況下的階躍電壓vsnap-off變小，導致破壞的電源電壓vcc提高，即，擊穿耐量提高。

即，本實施方式的n緩沖層15表現出圖6～圖9所示的n緩沖層15的作用(i)、(ii)，其結果，如圖19所示，表現出與現有的電壓變化l120之間的差異。就第2種二極管的構造而言，通過由p陰極層18導致的恢復動作時的空穴注入，實現了n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部附近的電場緩和，由于該效果而抑制恢復動作時的階躍現象，因此越是第1種二極管，越不會顯現出由n緩沖層15的濃度梯度δ的高低差產生的效果。但是，就第2種二極管而言，如圖17及圖18所示，從高溫下的斷開損耗降低的觀點出發(fā)，顯現出本發(fā)明的n緩沖層15的效果。

圖20是表示試制出的耐壓為4500v的二極管(二極管構造為圖10(c)所示的第2種二極管)的恢復動作時的安全動作區(qū)域soa的曲線圖?？v軸示出圖13所示的恢復動作時的能夠切斷的最大dj/dt值(×10⁹a/cm²sec)，橫軸示出電源電壓vcc(v)。圖20中的恢復動作的條件是：陽極電流ia為150a(額定電流if的2.2倍)、雜散電感l(wèi)s為2.0hμh、工作溫度為423k。

在該圖中，特性變化l140示出在第1種二極管的現有構造的情況下的最大dj/dt值，特性變化l14l及l(fā)14h示出在第1種二極管的實施方式1的構造的濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的最大dj/dt值。特性變化l15l及l(fā)15h示出在第2種二極管的濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的最大dj/dt值。

圖中的各變化線的下方的區(qū)域成為恢復動作時的安全動作區(qū)域soa。根據圖20，可知與使用現有的n緩沖層15相比，使用實施方式1的n緩沖層15的情況下的二極管的安全動作區(qū)域soa向恢復特性評價時的電源電壓vcc(v)高的區(qū)域進一步擴大。

圖21是表示耐壓為4500v的二極管(二極管構造為圖10(c)所示的第2種二極管)的接通電壓vf(v)和恢復動作時的損耗(能量損耗erec(×10^－3j/apulse))之間的折衷特性的曲線圖。此外，動作條件是：電源電壓vcc為2800v、電流密度jf為95.6a/cm²、dj/dt＝400a/cm²μsec、ls＝2.0μh、工作溫度為398k的情況。

在該圖中，能量損耗變化l160示出在第2種二極管的現有構造的情況下的能量損耗erec，能量損耗變化l161及l(fā)16h示出在第2種二極管的實施方式1的構造的濃度梯度δ為較低的濃度及較高的濃度的情況下的能量損耗erec。

如該圖所示，第2種二極管的該特性是利用電子束、鉑、he、質子等壽命削減要素對器件中(包含中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3)的載流子壽命進行控制而能夠進行變動的器件特性。根據圖21，本實施方式的n緩沖層15與現有構造的n緩沖層15相比，能夠使“接通電壓vfvs.能量損耗erec”折衷特性大幅地變化，接通電壓vf更高，且能夠將能量損耗erec抑制得低。

igbt、二極管等雙極類功率半導體元件的顯著的特征是，能夠通過相同的器件構造對接通電壓和截止損耗的折衷特性進行控制。即，從圖21可知，本實施方式的n緩沖層15與現有構造的n緩沖層15相比，關于上述功率半導體元件的顯著特征的上述折衷特性的控制，能夠實現大的可動范圍。

圖22～圖24是表示圖10(c)所示的第2種二極管的分別示出本實施方式的n緩沖層15的特征的2個參數即“n緩沖層15的主要部分的濃度梯度δ”及“n緩沖層15的形成深度tnb”，與二極管的器件特性之間的關系的曲線圖。

在圖22中，接通電壓變化l171示出電流密度jf為95.6a/cm²、工作溫度為398k的情況下的接通電壓vf(v)的變化。耐壓變化l172示出工作溫度298k的情況下的切斷電壓bvrrm。階躍電壓變化l173示出電源電壓vcc為3600v、陽極電流ia為7a(額定電流if的0.1倍)、dj/dt值為590a/cm²μs、雜散電感l(wèi)s為2.0hμh、工作溫度為298k的情況下的階躍電壓vsnap-off(v)的變化。最大電流密度變化l174示出陽極電流ia為150a(額定電流if的2.2倍，電流密度214.3a/cm²)、ls＝2.0μh、工作溫度為423k的情況下的最大dj/dt值(a/cm²sec)。最大功率密度變化l175示出陽極電流ia為150a(額定電流if的2.2倍)、ls＝2.0μh、工作溫度為423k的情況下的最大功率密度變化(max.powerdensity)(w/cm²)。

在圖23及圖24中，耐壓變化l181h及l(fā)182h示出n緩沖層15的濃度梯度δ設定為較高的濃度，工作溫度為298k及398l時的切斷電壓bvrrm(v)的變化。在圖23中，階躍電壓變化l191示出電源電壓vcc為1100v、電流密度jf為200a/cm²、dj/dt值為1540a/cm²μs、ls＝5.0hμh、工作溫度為398k的情況下的階躍電壓vsnap-off(v)的變化。

在圖24中，耐壓變化l181l及l(fā)182l示出n緩沖層15的濃度梯度δ設定為較低的濃度，工作溫度為298k及398k時的切斷電壓bvrrm(v)。另外，階躍電壓變化l201示出電源電壓vcc為1100v、電流密度jf為20a/cm²(0.1ja)、dj/dt值為4300a/cm²μs、ls＝1.0μh、工作溫度為298k的情況下的階躍電壓vsnap-off(v)的變化。

圖22是耐壓為4500v等級時的試制結果，圖23及圖24是通過模擬得到的結果。二極管構造是圖10(c)所示的第2種二極管的構造。圖22中所示的切斷電壓bvrrm(v)(工作溫度298k)下的目標耐壓5200v(耐壓基準tbv)是從作為耐壓4500v等級而保持在工作溫度213k時所保障的耐壓4500v的觀點出發(fā)，根據切斷電壓bvrrm的溫度依賴性而計算出的值。

根據圖22，在形成深度恒定的情況下，n緩沖層15的濃度梯度δ需要為0.03～0.7(decadecm^－3/μm)。如果n緩沖層15的濃度梯度δ過小，則在靜態(tài)狀態(tài)下的耐壓保持時耗盡層在n緩沖層15過度延伸，穿通至p陰極層18，導致耐壓降低。此外，“decade”是指“l(fā)og10”。

另外，從滿足上述目標耐壓值的觀點(bvrrm≥tbv)出發(fā)，設定濃度梯度δ的最小值(0.03)。另外，如果n緩沖層15的濃度梯度δ變得過大，則在動態(tài)狀態(tài)的截止動作時形成陰極側的殘留載流子等離子層的電子及空穴提前排出，或耗盡層并未在n緩沖層15內部平緩地延伸，導致階躍現象時的電壓變大、截止動作的控制性降低。

在圖22中，作為階躍電壓vsnap-off的最大值，根據4500v等級，將耐壓額定值4500v(基準耐壓tvs)設定為最大值。需要設定濃度梯度δ的最大值(0.7)，以使得階躍電壓vsnap-off的最大值低于4500v。

由此，在由式(1)規(guī)定的濃度梯度δ中，根據器件性能方面，存在上述適當的容許范圍。即，從本發(fā)明所要解決的技術課題、所要實現的器件性能出發(fā)，根據圖22，將全部的二極管性能不依賴n緩沖層15的濃度梯度δ的區(qū)域作為濃度梯度δ的設定范圍。

由此，濃度梯度δ的容許范圍需要滿足由{0.03≤δ≤0.7(decadecm^－3/μm)}規(guī)定的濃度梯度條件，如果考慮到其他電氣特性(l171、l172、l175)不劣化，則優(yōu)選滿足由{0.03≤δ≤0.2(decadecm^－3/μm)}規(guī)定的最佳濃度梯度條件。

實施方式1的半導體裝置具有下述效果，即，在n緩沖層15的主要部分，從將n^－漂移層14作為主要結構部的半導體基體(n^－漂移層14+n緩沖層15)的上表面朝向下表面的方向上的式(1)的濃度梯度δ滿足上述濃度梯度條件，因此能夠實現穩(wěn)定的耐壓特性、與斷開時的泄漏電流的減小化相伴的低斷開損耗化、截止動作的控制性的提高及截止時的切斷能力的提高。

下面，與igbt、第1種二極管及第2種二極管相對應地進行具體說明。

如圖1及圖10(a)所示，在作為元件形成區(qū)域的有源單元區(qū)域r1，在n^－漂移層14的上層部形成n型的絕緣柵型的晶體管形成區(qū)域(n⁺發(fā)射極層7、p基極層9、n層11、柵極絕緣膜12及填埋柵極電極13)。而且，由上述晶體管形成區(qū)域、前n緩沖層15、p集電極層16、發(fā)射極電極5e、集電極電極23c形成igbt。在如上所述具有igbt的半導體裝置中，能夠發(fā)揮上述效果。

另外，如圖2及圖10(b)所示，在有源單元區(qū)域r1的n^－漂移層14的上層部形成一個電極區(qū)域即p陽極層10。而且，由p陽極層10、n緩沖層15、n⁺陰極層17、陽極電極5a及陰極電極23k形成第1種二極管。在具有如上所述的第1種二極管的半導體裝置中，能夠發(fā)揮上述效果。

并且，如圖2及圖10(c)所示，在有源單元區(qū)域r1的n^－漂移層14的上層部形成一個電極區(qū)域即p陽極層10。而且，由p陽極層10、n緩沖層15、p陰極層18、n⁺陰極層19(另一個電極區(qū)域)、陽極電極5a及陰極電極23k形成第2種二極管。在具有如上所述的第2種二極管的半導體裝置中，能夠發(fā)揮上述效果。

實施方式1的半導體裝置通過進一步滿足上述最佳濃度梯度條件，從而能夠得到更良好的電氣特性。

此外，實施方式1的半導體裝置通過上述效果的低斷開損耗、通過裝置的冷卻系統的簡化，實現包含冷卻系統的裝置的減量化及裝置的節(jié)能化，另外，通過上述效果的截止切斷能力的提高，能夠使功率半導體元件的可通電的電流密度上升，與此相應地能夠實現半導體裝置的小型化。其結果，還能夠進一步實現裝置的包裝的減量化及小型化。

并且，通過實施方式1的半導體裝置的上述效果中的穩(wěn)定的耐壓特性及截止切斷能力的提高，能夠實現半導體裝置的長壽命化。

此外，通過實施方式1的半導體裝置的上述效果中的穩(wěn)定的耐壓特性、截止動作的控制性的提高及截止切斷能力的提高，能夠實現半導體裝置的成品率的提高。

從圖23可知，n緩沖層15的濃度梯度δ恒定，n緩沖層15的形成深度tnb從滿足上述目標耐壓值的觀點(vsnap-off≤bvrrm)出發(fā)，只要大于或等于4.0μm即可。

即，根據圖23，階躍電壓vsnap-off值應該低于靜態(tài)耐壓(bvrrm)，就本實施方式的具有濃度梯度δ的n緩沖層15而言，需要大于或等于4.0μm的形成深度tnb。

從圖24可知，在本實施方式的n緩沖層15間，也是對于濃度梯度δ較小者來說，在保障大致相同的耐壓bvrrm耐壓的同時，恢復動作時的階躍電壓vsnap-off值變得更小，從截止動作時的控制性的提高的觀點出發(fā)，優(yōu)選濃度梯度δ較小者。

另外，如果本實施方式的n緩沖層15的形成深度tnb過深，則殘存的載流子等離子層產生高濃度化，因此導致由igbt、二極管各自的截止動作終結時的尾電流增加引起的截止損耗，示出總損耗增加這樣的反作用。從并不顯現出如上所述的反作用的深度、制造技術方面出發(fā)，n緩沖層15的形成深度tnb的容許范圍認為是50μm。

如上所述，對于實施方式1的半導體裝置，n緩沖層15的形成深度tnb(從n^－漂移層14和n緩沖層15之間的界面至集電極電極23c(陰極電極23k)和p集電極層16(包含n⁺陰極層17、p陰極層18及n⁺陰極層19)之間的接合面為止的距離)滿足由{4.0≤jd≤50.0(μm)}規(guī)定的形成深度條件，由此能夠實現穩(wěn)定的耐壓特性、與斷開時的泄漏電流的減小化相伴的低斷開損耗化、高溫下的動作、截止動作的控制性的提高及截止時的切斷能力的提高。

圖22～圖24是使用圖10(c)所示的第2種二極管的結果。相同的結果也存在于圖10(a)及(b)所示的igbt及第1種二極管的性能和n緩沖層15的濃度梯度δ之間的關系。

基于以上內容，具有圖4及圖5所示的雜質分布dp1的特征的、本實施方式的n緩沖層15，成為能夠實現本發(fā)明所要解決的技術目標，即，穩(wěn)定的耐壓特性、由斷開時的低泄漏電流導致的低斷開損耗化、熱失控控制、高溫下的動作的保證、截止動作的控制性的提高、截止切斷能力的大幅提高的技術。

＜實施方式2＞

作為實施方式2，對得到與實施方式1相同效果的n緩沖層15的構造技術進行說明。

圖25～圖31是表示實施方式2的第1～第7方式所涉及的n緩沖層15的雜質(濃度)分布的曲線圖。上述第1～第7方式在設定圖4及圖5所示的實施方式1中的n緩沖層15的雜質分布的情況下，實現相同或者更高的對器件特性的效果。

圖25～圖31的橫軸的0μm點示出圖10中的p集電極層16、n⁺陰極層17(19)及p陰極層18的下表面。另外，圖25～圖31的縱軸示出以常用對數表示的雜質濃度。

圖25所示的第1方式的特征在于，在實施方式1的n緩沖層15的基礎上，在圖10(a)～(c)中的p集電極層16、n⁺陰極層17或者p陰極層18及n⁺陰極層19與n緩沖層15之間，還設置有峰值濃度比n緩沖層15高的n輔助層29(緩沖輔助層)。即，n輔助層29相對于n緩沖層15在下表面?zhèn)扰cn緩沖層15相鄰地形成。在n輔助層29之上隔著p集電極層16(n⁺陰極層17、或者p陰極層18及n⁺陰極層19)而形成集電極電極23c(陰極電極23k)。此外，在本說明書中，設為在n^－漂移層14、n緩沖層15的基礎上，半導體基體還包含n輔助層29。

第1方式的n輔助層29具有下述作用，即，阻止靜態(tài)耐壓保持時、動態(tài)(dynamic)狀態(tài)下的耗盡層向n緩沖層15延伸，防止耗盡層到達至p集電極層16或者p陰極層18而發(fā)生穿通現象。

在這里，在第1種及第2種二極管的情況下，關于n⁺陰極層17(19)/n輔助層29的接合部和n輔助層29/n緩沖層15的接合部，按照圖25所示的以常用對數表示的雜質濃度和深度之間的關系，以下述方式進行定義。

n⁺陰極層17/n輔助層29的接合部：設為從n⁺陰極層17起的雜質濃度分布梯度由負向正變化的點(例如，如圖25所示，切線從右斜的傾斜方向向左斜的傾斜方向變化的點j0)。

n輔助層29/n緩沖層15的接合部：設為從n輔助層29部起的雜質濃度分布梯度由負向正變化的點(例如，如圖25所示，切線從右斜的傾斜方向向左斜的傾斜方向變化的點j1)。

圖32是表示以下研究結果的曲線圖，即，以n緩沖層15和n輔助層29的總注入量中n輔助層29的注入量所占的比例(α)作為參數，通過模擬來研究該比例(α)對以圖10(a)所示的igbt的構造而設想出耐壓為4500v等級的器件的情況下的398k時的耐壓(bvces)(v)和n緩沖層15的形成深度tnb(μm)之間的關系產生的影響。

在這里，將n緩沖層15的n型雜質的注入量即劑量(/cm²)設為“dose·nb1”，將n輔助層29的n型雜質的注入量即劑量(/cm²)設為“dose·nb2”，將n輔助層29的劑量比率tα由下面的式(2)進行定義。

[算式3]

在圖32中，耐壓變化l210示出在沒有n輔助層29的情況下的耐壓bvces，耐壓變化l211～l214示出劑量比率tα為0.3、0.5、0.7及0.9的情況下的耐壓bvces。此外，在耐壓變化l210中，劑量設定為與n緩沖層15和n輔助層29的總注入量相同的量。

如圖32所示，對于與n緩沖層15的形成深度tnb(nbufferdepth)之間的關系，與n緩沖層15單體的情況相比，由于n輔助層29的存在而具有使耐壓保持能力提高的效果。

另外，對于在n緩沖層15和n輔助層29的總注入量中n輔助層29的注入量所占的比例即劑量比率tα，優(yōu)選劑量比率tα設定為大于或等于0.3而小于1，以使得無論在哪種n緩沖層15的形成深度tnb下從保障耐壓保持能力的觀點出發(fā)都會超過耐壓基準tbv2。

如上所述，實施方式2的第1方式通過使雜質注入比率即式(2)的劑量比率tα滿足由{0.3≤tα＜1}規(guī)定的雜質注入比率條件，從而能夠得到良好的耐壓特性。

另外，n緩沖層15的形成深度tnb需要大于或等于2.0μm。作為該情況下的所保障的耐壓基準tbv1，將耐壓bvces設為大于或等于6350v(工作溫度398k)，這是出于保持在工作溫度213k時作為4500v等級而保障的耐壓4500v的目的，根據耐壓bvces的溫度依賴性進行設定的。

另外，實施方式2的n緩沖層15如果形成深度tnb過深，則如實施方式1中說明所述，具有反作用，因此優(yōu)選形成深度tnb的最大值為50μm。

圖33是表示針對以圖10(a)所示的igbt設想出耐壓為6500v等級的器件的情況下的298k的環(huán)境下的耐壓(bvces)和n緩沖層15的峰值濃度之間的關系，由n輔助層29的有無造成的影響的模擬結果。在該圖中，耐壓變化l221示出具有n緩沖層15+n輔助層29的組合構造的第1方式的bvces(v)的變化，特性曲線l22示出不存在n輔助層29的、n緩沖層15的單體構造的情況下的耐壓bvces的變化。此外，橫軸示出最大雜質濃度(cm^－3)。

如該圖所示，就n緩沖層15單層而言，從保障耐壓的觀點出發(fā)，為了滿足大于或等于耐壓基準tbv3(7500v)，最小峰值濃度xpc2成為5.0×10¹⁴cm^－3。另一方面，通過增加n輔助層29，從而使?jié)M足大于或等于耐壓基準tbv3的最小峰值濃度xpc1成為2.0×10¹⁴cm^－3，相對于峰值濃度，裕量擴大。根據實施方式1所述的目的(i)，n緩沖層15的峰值濃度pc的最大值成為1.0×10¹⁶cm^－3。

即，n緩沖層15的n型雜質的峰值濃度pc滿足由{2×10¹⁴(cm^－3)≤pc≤1.0×10¹⁶(cm^－3)}規(guī)定的峰值雜質濃度條件，由此連同不具有n輔助層29的實施方式1的構造在內，能夠得到滿足穩(wěn)定的耐壓等效果。

如上所述，在圖25所示的實施方式2的第1方式中具有n緩沖層15，該n緩沖層15具有下述特征，即，為如實施方式1這樣的低濃度，且在朝向n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部的深度方向上具有圖4及圖5所示的平緩的濃度梯度δ，且形成深度tnb深。在實施方式2的第1方式中，利用在p集電極層16、n⁺陰極層17(19)及p陰極層18與n緩沖層15的接合部加入濃度比n緩沖層15高的n輔助層29后的雜質分布而構成總的n緩沖層。

其結果，實施方式2的第1方式與實施方式相同地，能夠通過滿足與濃度梯度δ相關的濃度梯度條件的n緩沖層15而實現截止動作的控制性的提高、截止切斷能力的大幅的提高，通過濃度比n緩沖層15高的n輔助層29而實現更穩(wěn)定的耐壓特性、由斷開時的低泄漏特性導致的低斷開損耗。此外，具有n輔助層29的圖29～圖31所示的第5～第7方式也具有相同的效果。

圖26～圖31是將離子注入時的離子種的加速能量設定為多個條件而形成n緩沖層15的情況下的事例。作為離子種，設想出硒、硫、磷、質子(氫)。另外，在使用質子(氫)的情況下，使用通過由退火(溫度：350～450℃)實現的施主化而形成n層的擴散層形成工藝技術。除了離子注入以外，質子(氫)還通過利用了回旋加速器的照射技術向si中導入。

如圖26～圖31所示，關于n緩沖層15，在向si中導入離子種時將加速能量及劑量設定為多個條件，由此如濃度變化lc2～lc7所示，成為在n緩沖層15中存在多個雜質分布波峰的多峰值雜質分布。此外，圖26～圖31所示的各雜質分布的波峰的峰值濃度朝向n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部而低濃度化。

圖28及圖31所示的第4及第7方式的多峰值雜質分布(濃度變化lc4及l(fā)c7)，在雜質分布的波峰之間的波谷處的雜質分布的一部分，具有朝向n^－漂移層14/n緩沖層15的接合部而低濃度化的濃度梯度dl4及dl7，因此在動態(tài)動作時能夠使得耗盡層在n緩沖層15內部平緩地延伸。

在設置上述的濃度梯度dl4及dl7時，在圖28及圖31所示的多峰值雜質分布lc4及l(fā)c7中，雜質分布的波谷處的雜質分布濃度成為，濃度比n^－漂移層14高且比n緩沖層15中的多個雜質分布的波峰的峰值濃度低。

另外，如圖26～圖31所示，關于基于多峰值雜質分布即濃度變化lc2～lc7的多個峰值濃度值而設想的峰值濃度變化lc2p～lc7p，將n緩沖層15的主要部分的假想濃度梯度pδ由下面的式(3)進行定義。

[算式4]

在式(3)中，分母是指膜厚位移δptb(μm)，分子是指濃度位移δlog10pcb(cm^－3)。濃度位移δlog10pcb是針對n緩沖層15的峰值濃度變化lcip(i＝2～7)的雜質濃度pcb施加log的底數為10的常用對數后的濃度變化，膜厚位移δptb是n緩沖層15的深度方向的變化量。

而且，假想濃度梯度pδ的容許范圍與實施方式1的濃度梯度δ相同，需要滿足由“0.03≤pδ≤0.7(decadecm^－3/μm)”規(guī)定的假想濃度梯度條件，在考慮到其他電氣特性不劣化的情況下，優(yōu)選滿足由“0.03≤pδ≤0.2(decadecm^－3/μm)”規(guī)定的假想最佳濃度梯度條件。

關于實施方式2的第2～第7方式，在n緩沖層15的主要部分，式(3)所涉及的假想濃度梯度pδ滿足上述假想濃度梯度條件，因此與實施方式1、實施方式2的第1方式相同地，能夠實現穩(wěn)定的耐壓特性、與斷開時的泄漏電流的減小化相伴的低斷開損耗化、截止動作的控制性的提高及截止時的切斷能力的提高。

并且，圖29～圖31所示的第5～第7方式與第1方式同樣地具有n輔助層29。在這里，將第5～第7方式中的向n緩沖層15注入的總的n型雜質注入量即劑量(/cm²)設為“dose·nb3”，將n輔助層29的n型雜質注入量即劑量(/cm²)設為“dose·nb4”，將n輔助層29的劑量比率tα由下面的式(4)進行定義。

[算式5]

此時，與第1方式的劑量比率tα的情況相同地，第5～第7方式中的劑量比率ptα設定為滿足由“0.3≤ptα≤1”規(guī)定的雜質注入比率條件。

其結果，第5～第7方式與第1方式相同地，能夠通過濃度比n緩沖層15高的n輔助層29而實現更穩(wěn)定的耐壓特性、由斷開時的低泄漏特性導致的低斷開損耗。

實施方式2的半導體裝置也與實施方式1相同地，n緩沖層15的形成深度tnb滿足由{4.0≤jd≤50.0(μm)}規(guī)定的形成深度條件，由此能夠實現穩(wěn)定的耐壓特性、與斷開時的泄漏電流的減小化相伴的低斷開損耗化、截止動作的控制性的提高及截止時的切斷能力的提高。

＜制造方法(實施方式1、實施方式2)(其1)＞

圖34～圖46是表示實施方式1或者實施方式2中的igbt(圖10(a))的制造方法(其1)的剖視圖。此外，這些附圖示出有源單元區(qū)域r1處的制造方法。

首先，準備通過fz法形成的硅晶片(下面，將該硅晶片或實施處理后的硅晶片稱為“半導體基體”)。如圖34所示，在形成有n^－漂移層14的半導體基體的上層部形成n層128和p基極層130。具體地說，對n^－漂移層14實施離子注入及退火處理而形成n層128和p基極層130。

接下來，如圖35所示，對半導體基體實施離子注入及退火處理，在p基極層130的表面?zhèn)冗x擇性地形成多個n⁺發(fā)射極層136。

接下來，如圖36所示，在半導體基體的上表面形成氧化膜131，使用照相制版技術而進行圖案化。然后，針對在氧化膜131的開口露出的部分而實施使用了等離子的反應性離子蝕刻，形成溝槽137。然后，為了溝槽137的周邊部的晶體缺陷及等離子損傷層的去除、溝槽137的底部的倒圓角以及溝槽137的內壁的平坦化，進行化學干式蝕刻和犧牲氧化處理。關于化學干式蝕刻和犧牲氧化處理，例如在日本特開平7－263692號公報中進行了公開。另外，關于適當的溝槽137的深度，例如在wo2009－122486號公報中進行了公開。

然后，如圖37所示，通過熱氧化法或cvd法(例如，參照日本特開2001－085686號公報)在溝槽內壁形成柵極氧化膜134。然后，在包含柵極氧化膜134的溝槽137內，形成摻雜有磷的多晶硅層132而將溝槽137填埋。此外，在半導體基體的下表面，在形成柵極氧化膜134的同時形成氧化膜150，在形成多晶硅層132的同時在氧化膜150之上形成摻雜有磷的多晶硅層152。

接下來，如圖38所示，對多晶硅層132中的探出至溝槽137之外的部分進行蝕刻。在蝕刻后通過cvd法或熱氧化法進行沉積或者將在半導體基體上表面及溝槽137的填埋表面露出的多晶硅層132氧化而形成氧化膜132a。然后，在半導體基體的表面形成p⁺層138。然后，在半導體基體的上表面之上，通過cvd法形成摻雜有硼或者磷的氧化膜140及teos膜141。作為氧化膜140，也可以形成teos膜或硅酸鹽玻璃。此外，在半導體基體的下表面，在形成氧化膜140及teos膜141的同時形成teos膜154。

接下來，如圖39所示，使用含有氫氟酸或者混合酸(例如，氫氟酸、硝酸及醋酸的混合液)的液體對半導體基體的下表面的teos膜154、多晶硅層152及氧化膜150進行蝕刻而使n^－漂移層14露出。

然后，如圖40所示，將摻雜有雜質的多晶硅層160(下面，將摻雜有雜質的多晶硅稱為“摻雜多晶硅”)以與在半導體基體的下表面露出的n^－漂移層14接觸的方式形成。此時，還在半導體基體上表面形成所不期望的摻雜多晶硅層162。摻雜多晶硅層160及162是通過lpcvd法形成的。作為摻雜至摻雜多晶硅層160及162的雜質而使用磷、砷或者銻等，以使得摻雜多晶硅層160及162成為n⁺層。摻雜多晶硅層160及162的雜質濃度設定為大于或等于1×10¹⁹(cm^－3)。另外，摻雜多晶硅層160及162的層厚設定為大于或等于500(nm)。

接下來，如圖41所示，在氮氣氣氛中，將半導體基體的溫度加熱至900～1000(℃)左右而使摻雜多晶硅層160的雜質向n^－漂移層14的下表面?zhèn)葦U散。通過該擴散，在n^－漂移層14的下表面?zhèn)刃纬删哂芯w缺陷和高濃度雜質的吸雜層164。如上所述，吸雜層形成工序是在露出于半導體基體下表面的n^－漂移層14的下表面?zhèn)刃纬晌s層64的工序。吸雜層164的表面的雜質濃度例如為1.0×10¹⁹～1.0×10²²(cm^－3)的任意濃度。

在吸雜層形成工序后，以任意的降溫速度將半導體基體的溫度下降至600～700(℃)左右，將其溫度維持大于或等于4小時。將該工序稱為退火工序。在退火工序中，對半導體基體進行加熱，使通過制造工序導入至n^－漂移層14的金屬雜質、污染原子及損傷擴散而由吸雜層164捕獲。

接下來，如圖42所示，將半導體基體上表面的摻雜多晶硅層162使用氫氟酸或者混合酸(例如，氫氟酸/硝酸/醋酸的混合液)的溶液而選擇性地去除。關于圖40～圖42所示的吸雜的工藝，例如在wo2014－054121號公報中進行了公開。

然后，如圖43所示，在半導體基體的上表面?zhèn)龋瑢ρ趸?40及teos膜141進行局部蝕刻，使一部分露出至外部而形成具有接觸孔的溝槽露出部170。溝槽露出部170以外的部分作為igbt的mos晶體管部分起作用。

此外，如圖43所示，在形成有由多晶硅層132填埋的溝槽137的區(qū)域局部地形成溝槽露出部170的目的在于，通過將多晶硅層132的一部分設為發(fā)射極電位，從而減小有效的柵極寬度、調整電容。由此，能夠實現飽和電流密度的抑制、由電容控制導致的短路時的振蕩的抑制、短路耐量的提高(詳細內容參照wo2002－058160號公報及wo2002－061845號公報)及由接通狀態(tài)的發(fā)射極側載流子濃度的提高導致的低接通電壓化。

接下來，如圖44所示，通過濺射及退火，在半導體基體上表面形成硅化物層139和阻擋金屬層142。作為濺射時的金屬，使用ti、pt、co或者w等高熔點金屬材料。然后，在半導體基體上表面通過濺射法形成添加有1～3％左右的si的金屬配線層144。金屬配線層144的材料例如為alsi、alsicu或者alcu。金屬配線層144與溝槽露出部170電連接。

接下來，如圖45所示，將在半導體基體的下表面?zhèn)刃纬傻奈s層164和摻雜多晶硅層160通過研磨或者蝕刻而去除。將如上所述去除吸雜層164等的工序稱為去除工序。在去除工序中，也可以將n^－漂移層14中的與吸雜層164接觸的部分以期望的厚度進行去除。由此，能夠將半導體基體(n^－漂移層14)的厚度t14設為與半導體裝置的耐壓等級對應的厚度。

然后，如圖46所示，在半導體基體的下表面形成n緩沖層15。然后，在n緩沖層15的下表面形成p型的p集電極層16。并且，在p集電極層16的下表面形成集電極電極23c。n緩沖層15的形成是從半導體基體的下表面?zhèn)?，通過將磷、硒、硫、質子(氫)向si導入、實施退火等雜質注入處理及熱處理而進行的，n緩沖層15形成為滿足實施方式1或者實施方式2中所述的形成深度、濃度梯度δ(假想濃度梯度pδ)。

在質子的情況下，氫原子及氧原子與在質子的導入時產生的空孔缺陷結合而成為復合缺陷。在該復合缺陷中含有氫，因此成為電子供給源(施主)，通過退火而使復合缺陷密度增加、施主濃度增加。其結果，能夠形成雜質濃度比n^－漂移層14高的施主化后的層，作為n緩沖層15對器件的動作作出貢獻。

然后，如實施方式2的第1、第5～第7方式這樣，在形成n輔助層29的情況下，以n輔助層29的雜質濃度及劑量比率tα(ptα)滿足上述的條件的方式形成n輔助層29。

最后，在p集電極層16的下表面之上形成集電極電極23c。集電極電極23c是在將半導體裝置向模塊搭載時，與模塊中的半導體基體等進行焊料接合的部分。因此，優(yōu)選通過層疊多個金屬來形成集電極電極23c，從而設為低接觸電阻。

就圖46與圖10(a)及圖1之間的關系而言，多晶硅層132與填埋柵極電極13對應，柵極氧化膜134與柵極絕緣膜12對應，n層128與n層11對應，p基極層130與p基極層9對應，n⁺發(fā)射極層136與n⁺發(fā)射極層7對應，p⁺層138與p⁺層8對應，金屬配線層144與發(fā)射極電極5e對應。

在上述的半導體裝置的制造方法(其1)中，對通過圖46所示的工序形成n緩沖層15的情況進行了說明，但也可以取而代之通過圖34所示的工序或者圖42所示的工序形成n緩沖層15。在該情況下，需要以位于吸雜層164的上層的方式形成n緩沖層15。

＜制造方法(實施方式1、實施方式2)(其2)＞

圖47～圖54是表示實施方式1或者實施方式2中的第2種二極管(圖10(c))的制造方法(其2)的剖視圖。

首先，如圖47所示，示出有源區(qū)域ra和以包圍有源單元區(qū)域r1的方式形成的中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3。首先，準備僅形成有n^－漂移層14的半導體基體。

然后，在中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3的n^－漂移層14的表面選擇性地形成多個p層52。p層52是通過將預先形成的氧化膜62作為掩模而進行離子注入，然后對半導體基體實施退火處理而形成的。此外，還在半導體基體的下表面形成有氧化膜62形成時的氧化膜68。

接下來，如圖48所示，對有源單元區(qū)域r1的n^－漂移層14的表面實施離子注入及退火處理而形成p層50。

然后，如圖49所示，在半導體基體的上表面?zhèn)鹊哪┒藚^(qū)域r3的端部形成n⁺層56。接下來，在半導體基體的上表面形成teos層63。然后，進行將半導體基體的下表面露出的處理。然后，將摻雜有雜質的摻雜多晶硅層65以與在半導體基體的下表面露出的n^－漂移層14接觸的方式形成。此時，還在半導體基體的上表面形成摻雜多晶硅層64。

接下來，如圖50所示，對半導體基體進行加熱而使摻雜多晶硅層65的雜質向n^－漂移層14的下表面?zhèn)葦U散，在n^－漂移層14的下表面?zhèn)刃纬删哂芯w缺陷和雜質的吸雜層55。該工序與制造方法(其1)的前處理退火工序相同。然后，實施退火工序而由吸雜層55捕獲n^－漂移層14的金屬雜質、污染原子及損傷。

然后，如圖51所示，使用氫氟酸或者混合酸(例如，氫氟酸/硝酸/醋酸的混合液)的溶液選擇性地將在基板的上表面形成的摻雜多晶硅層64去除。

接下來，如圖52所示，在半導體基體的上表面形成使p層52、p層50和n⁺層56露出的接觸孔。即，如圖52所示對teos層63進行加工。然后，通過濺射法形成添加有1～3％左右的si的陽極電極5a用鋁配線5。

然后，如圖53所示，在半導體基體的上表面形成鈍化膜66。然后，將在半導體基體的下表面?zhèn)刃纬傻奈s層55和摻雜多晶硅層65通過研磨或蝕刻而去除。通過該去除工序，將半導體基體(n^－漂移層14)的厚度設為與半導體裝置的耐壓等級對應的厚度。

然后，如圖54所示，在n^－漂移層14的下表面?zhèn)刃纬蒼緩沖層15。然后，在n緩沖層15的下表面形成p陰極層18。

此時，從半導體基體的下表面?zhèn)龋c制造方法(其1)相同地，通過將磷、硒、硫、質子(氫)向si導入、進行退火等雜質注入處理及熱處理，以滿足實施方式1或者實施方式2所述的形成深度tnb、濃度梯度δ(假想濃度梯度pδ)的方式形成n緩沖層15。

然后，在如實施方式2的第1、第5～第7方式這樣，形成n輔助層29的情況下，以n輔助層29的雜質濃度及劑量比率tα(ptα)滿足上述條件的方式形成n輔助層29。

然后，在有源單元區(qū)域r1，在p陰極層18的一部分形成n⁺陰極層19。n緩沖層15、p陰極層18及n⁺陰極層19是通過離子注入和退火處理而形成的擴散層。最后，在半導體基體下表面形成陰極電極23k。

就圖54與圖10(c)及圖2之間的關系而言，p層50與p陽極層10對應，p層52與p區(qū)域22對應，n⁺層56與n⁺層26對應，金屬配線層5與陽極電極5a對應。

在上述的半導體裝置的制造方法(其2)中，對通過圖54所示的工序形成n緩沖層15的情況進行了說明，但也可以取而代之通過圖47所示的工序或者圖51所示的工序形成n緩沖層15。在該情況下，需要以位于吸雜層55的上層的方式形成n緩沖層15。

＜實施方式3＞

實施方式3的半導體裝置是根據圖3所示的功率半導體的結構要素與實施方式1及實施方式2所示的特征性的n緩沖層15之間的關系，實現igbt及二極管的截止時的切斷能力的進一步提高的技術。

圖55～圖59是表示實施方式3的半導體裝置的第1～第5方式的剖視圖。這些剖面相當于圖3的a1－a1剖面。第1方式是igbt(圖1、圖10(a))的改良，第2方式是第1種二極管(圖2、圖10(b))的改良，第3～第5方式是第2種二極管(圖2、圖10(c))的改良。

下面，對與圖10、圖1及圖2相同的結構部分適當地標注同一標號而省略說明，并且，以特征部分為中心進行說明。

對于圖55所示的第1方式，與圖10(a)及圖1所示的igbt相比，特征在于，在有源單元區(qū)域r1的周邊區(qū)域即中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3不形成p集電極層16，而是形成有n緩沖延長層15e。此外，n緩沖延長層15e設定為與n緩沖層15(的接合部及其附近)相同程度的雜質濃度。

對于圖56所示的第2方式，與圖10(b)及圖2所示的第1種二極管相比，特征在于，在周邊區(qū)域即中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3不形成n⁺陰極層17，而是形成有n緩沖延長層15e。此外，n緩沖延長層15e設定為雜質濃度比n⁺陰極層17低，與n緩沖層15為相同程度的雜質濃度。

對于圖57所示的第3方式，與圖10(c)所示的第2種二極管相比，特征在于，在周邊區(qū)域即中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3不形成n⁺陰極層19(第1部分有源層)，而是僅形成有p陰極層18x。此外，p陰極層18x設定為與p陰極層18(第2部分有源層)相同程度的雜質濃度。

對于圖58所示的第4方式，與圖10(c)及圖2所示的第2種二極管相比，特征在于，在周邊區(qū)域即中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3不形成p陰極層18及n⁺陰極層19，而是形成有n緩沖延長層15e。n緩沖延長層15e設定為與n緩沖層15相同的雜質濃度。

對于圖59所示的第5方式，與圖10(c)及圖2所示的第2種二極管相比，特征在于，在周邊區(qū)域即中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3不形成p陰極層18，而是僅形成有n⁺陰極層19x。此外，n⁺陰極層19x設定為與n⁺陰極層19相同程度的雜質濃度。

如上所述，實施方式3的第1～第5方式的特征在于，針對igbt、第1種二極管及第2種二極管，將相當于有源單元區(qū)域r1、中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3處的與集電極電極23c(陰極電極23k)接觸的有源層的區(qū)域的構造改變。

因此，第1～第5方式成為下述構造，即，針對igbt、第1種二極管及第2種二極管這三者，對從接通狀態(tài)起來自末端區(qū)域r3的集電極側(陰極側)的載流子注入進行抑制。

其結果，實施方式3的第1～第5方式具有下述作用(熱破壞抑制作用)，即，使在截止動作時存在于中間區(qū)域r2的主結的pn結部的電場強度得到緩和，抑制局部的電場強度的上升，抑制因為由碰撞離子化引起的電流集中而產生的局部的溫度上升所造成的熱破壞。

圖60是針對以下兩者而示出截止切斷能力的安全動作區(qū)域soa的曲線圖，其中一者是，試制出的呈圖10(a)所示的igbt構造且具有屬于4500v等級的現有n緩沖層15的igbt(整體構造與圖1相同)，另一者是，采用具有圖55所示的第1方式的構造的igbt，且具有實施方式1的n緩沖層15的構造。在該圖中，縱軸的電流密度jc(切斷)及最大功率密度分別示出截止時的最大切斷電流密度(a/cm²)和最大功率密度(w/cm²)，橫軸示出電源電壓vcc。

在圖60中，電流密度變化l220示出現有的n緩沖構造(具有呈圖4中的雜質分布pr的n緩沖層15(nref(15))的構造)的igbt的電流密度jc相對于vcc(v)的變化，功率密度變化l230示出現有構造的igbt的最大切斷電流密度相對于vcc的變化。電流密度變化l221示出采用實施方式3的第1方式而構成的實施方式1的igbt的電流密度jc的變化，功率密度變化l231示出采用實施方式3的圖55所示的第1方式而構成的實施方式1的igbt的最大切斷電流密度的變化。另外，作為通斷條件，設定為ls＝2.47μh、工作溫度為423k。

圖61是針對以下兩者而示出恢復動作時的切斷能力的安全動作區(qū)域soa的曲線圖，其中一者是，試制出的具有耐壓為3300v等級的現有n緩沖構造(具有呈圖4中的雜質分布pr的n緩沖層15的構造)的第2種二極管(整體構造與圖2相同)，另一者是，采用圖57及圖58所示的第3及第4方式，且具有實施方式1的n緩沖層15的構造?？v軸的電流密度ja(切斷)及最大dja/dt分別示出恢復動作時的最大切斷電流密度(a/cm²)和最大切斷dj/dt(×10⁹a/cm²sec)。此外，橫軸是電源電壓vcc。

在圖61中，電流密度變化l240示出現有構造的igbt的電流密度ja相對于vcc(v)的變化，功率密度變化l250示出現有構造的第2種二極管的最大切斷電流密度相對于vcc的變化。電流密度變化l241示出采用實施方式3的第3或者第4方式而構成的實施方式1的第2種二極管的電流密度jc的變化，功率密度變化l251示出采用實施方式3的第3或者第4方式而構成的實施方式1的第2種二極管的最大切斷電流密度的變化。另外，作為通斷條件，設定為ls＝4.47μh、工作溫度為423k、dv/dt＝6000v/μs。

如圖60及圖61所示，具有實施方式1的n緩沖層15、且抑制來自末端區(qū)域r3的集電極側(陰極側)的載流子注入的igbt(二極管)，與具有現有n緩沖層15的igbt及二極管相比，截止時的安全動作區(qū)域soa大幅提高，實現作為本發(fā)明的目的之一的截止切斷能力的進一步提高。

顯現出相同作用的、由圖56及圖59分別所示的第2方式(第1種二極管)及第5方式(第2種二極管)也會得到相同的效果。

另外，第4及第5方式使圖11及圖12所示的在圖10(c)的第2種二極管構造中顯著化的jrvsvr特性上的二次擊穿發(fā)生點向大電流密度區(qū)域移動，另外，通過圖57所示的第3方式也會預見到使二次擊穿變小的效果。

上述效果的由來是，在使包含本發(fā)明的包含n緩沖層15而構成的內置的pnp雙極晶體管的電流放大率αpnp減小的基礎上，由于存在上述pnp雙極晶體管的范圍并未涵蓋至中間區(qū)域r2、末端區(qū)域r3，也能夠減小電流放大率αpnp。此外，通過上述的熱破壞抑制作用也能夠期待上述的效果。

此外，在圖60及圖61中，與現有構造的igbt、二極管進行了比較，但不難推測出，即使與實施方式1、實施方式2的igbt、二極管相比，也具有由于實施方式3的第1～第5方式的構造而使安全動作區(qū)域soa擴大的效果。

如上所述，就實施方式3的第1方式～第4方式(圖55～圖58)而言，在中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3，沒有形成作為igbt或者二極管的電極區(qū)域(另一個電極區(qū)域)起作用的有源層(p集電極層16、n⁺陰極層17、19)。具體地說，n緩沖延長層15e實質上與n緩沖層15相同，因此第1、第2及第4方式成為下述構造，即，在中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3，實質上在n^－漂移層14之上直接形成有集電極電極23c或者陰極電極23k。

因此，實施方式3的第1方式～第4方式通過設為在中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3實質上不存在igbt或者二極管的構造，由此實現來自中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3的載流子注入的抑制，從而能夠通過上述熱破壞抑制作用而實現截止切斷能力的提高。

此外，實施方式3以實施方式1的構造為前提進行了說明，但也可以是以實施方式2的構造為前提而實現上述的第1～第5方式。另外，除了與中間區(qū)域r2及末端區(qū)域r3的有源層相當的構造以外，能夠使用圖34～圖54中所說明的制造方法而得到實施方式3的第1～第5構造。

詳細地說明了本發(fā)明，但上述說明在所有方面均為例示，本發(fā)明不限定于此?？梢岳斫鉃樵诓幻撾x本發(fā)明的范圍的情況下能夠想到未例示出的無數的變形例。

即，本發(fā)明在其發(fā)明的范圍內，能夠將各實施方式自由地組合，或將各實施方式適當地變形、省略。

標號的說明

5a陽極電極，5e發(fā)射極電極，7n⁺發(fā)射極層，8p⁺層，9p基極層，10p陽極層，11n層，12柵極絕緣膜，13填埋柵極電極，15n^－漂移層，15n緩沖層，15en緩沖延長層，16n⁺陰極層，17、19、19xn⁺陰極層，18、18xp陰極層，23c集電極電極，23k陰極電極，27、27g、27d縱向構造區(qū)域，29n輔助層。