DE112019001741T5 - Halbleitervorrichtung und herstellungsverfahren - Google Patents

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Tohru SHIRAKAWA
Misaki Takahashi
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Yuichi Onozawa
Hiroshi TAKISHITA
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Abstract

Es wird eine Halbleitervorrichtung geschaffen, die ein Halbleitersubstrat umfasst, wobei das Halbleitersubstrat einen wasserstoffhaltigen Bereich aufweist, der Wasserstoff enthält, und der wasserstoffhaltige Bereich einen Hochkonzentrationsbereich mit einer höheren Trägerkonzentration als einer virtuellen Trägerkonzentration, die basierend auf einer Konzentration des enthaltenen Wasserstoffs und einem Aktivierungsverhältnis von Wasserstoff bestimmt wird, aufweist. Das Halbleitersubstrat umfasst einen N-Typ-Driftbereich, einen N-Typ-Emitterbereich, der eine höhere Trägerkonzentration aufweist als diejenige in dem Driftbereich; einen P-Typ-Basisbereich, einen P-Typ-Kollektorbereich, der so bereitgestellt ist, dass er mit einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats in Kontakt steht, und einen N-Typ-Pufferbereich, der zwischen dem Kollektorbereich und dem Driftbereich bereitgestellt ist und eine höhere Trägerkonzentration als diejenige in dem Driftbereich aufweist; wobei der wasserstoffhaltige Bereich in dem Pufferbereich enthalten ist.

Description

  • Hintergrund
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und ein Herstellungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Herkömmlicherweise ist eine Technik zum Ausbilden eines N-Typ-Bereichs durch Implantieren von Wasserstoff in einem Halbleitersubstrat bekannt (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
  • Patentdokument 1: US 2016/141399
  • [Technisches Problem]
  • Vorzugsweise kann eine Trägerkonzentrationsverteilung in einem N-Typ-Bereich geeignet angepasst werden.
  • [Allgemeine Offenbarung]
  • Um das oben beschriebene Problem zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung geschaffen, die ein Halbleitersubstrat umfasst. Das Halbleitersubstrat kann einen wasserstoffhaltigen Bereich aufweisen, der Wasserstoff enthält. Der wasserstoffhaltige Bereich kann einen Hochkonzentrationsbereich mit einer Trägerkonzentration, die höher als eine virtuelle Trägerkonzentration ist, die basierend auf einer Konzentration an enthaltenem Wasserstoff und einem Aktivierungsanteil von Wasserstoff bestimmt wird, aufweisen.
  • Die Trägerkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich kann höher sein als eine Grunddotierungskonzentration in dem Halbleitersubstrat.
  • Die Verteilung der Trägerkonzentration in einer Tiefenrichtung des wasserstoffhaltigen Bereichs kann eine erste Spitze aufweisen.
  • Eine Trägerkonzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung des wasserstoffhaltigen Bereichs kann mehrere erste Spitzen aufweisen. Der Hochkonzentrationsbereich kann zwischen den ersten Spitzen in der Tiefenrichtung angeordnet sein.
  • Der Hochkonzentrationsbereich kann zwischen der tiefsten ersten Spitze und der zweittiefsten ersten Spitze unter den ersten Spitzen angeordnet sein.
  • Eine Trägerkonzentrationsverteilung des Hochkonzentrationsbereichs kann eine zweite Spitze in Tiefenrichtung aufweisen.
  • Die zweite Spitze in dem Hochkonzentrationsbereich kann eine Breite aufweisen, die größer ist als die Breite jeglicher der ersten Spitzen ist.
  • Eine chemische Wasserstoffkonzentrationsverteilung in dem wasserstoffhaltigen Bereich kann mehrere fünfte Spitzen aufweisen. Eine Halbwertsbreite der zweiten Spitze kann größer sein als eine Hälfte eines fünften Spitzenintervalls zwischen der tiefsten fünften Spitze und der zweittiefsten fünften Spitze der fünften Spitzen.
  • Die tiefste fünfte Spitze und die zweittiefste fünfte Spitze der fünften Spitzen können in einem Bereich der Halbwertsbreite der zweiten Spitze enthalten sein.
  • Der wasserstoffhaltige Bereich kann einen Lebensdauersteuerbereich mit einen Einstellungsstörstoff zum Einstellen einer Lebensdauer eines Trägers aufweisen. Eine Konzentrationsverteilung des Einstellungsstörstoffs in Tiefenrichtung kann eine dritte Spitze aufweisen. Der Hochkonzentrationsbereich kann an einer Position bereitgestellt sein, die tiefer als die dritte Spitze in der Konzentrationsverteilung des Einstellungsstörstoffs ist.
  • Eine Halbwertsbreite der dritten Spitze kann größer sein als ein Intervall zwischen den mehreren ersten Spitzen in Tiefenrichtung.
  • Eine Sauerstoffkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich kann 1 × 1017/cm3 oder mehr betragen.
  • Eine Kohlenstoffkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich kann 1 × 1013/cm3 oder mehr betragen.
  • Das Halbleitersubstrat kann einen N-Typ-Driftbereich aufweisen. Das Halbleitersubstrat kann einen N-Typ-Emitterbereich aufweisen, der so bereitgestellt ist, dass er mit einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats in Kontakt steht und eine höhere Trägerkonzentration aufweist als diejenige in dem Driftbereich. Das Halbleitersubstrat kann einen P-Typ-Basisbereich aufweisen, der zwischen dem Emitterbereich und dem Driftbereich bereitgestellt ist. Das Halbleitersubstrat kann einen P-Typ-Kollektorbereich aufweisen, der so bereitgestellt ist, dass er mit einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats in Kontakt steht. Das Halbleitersubstrat kann einen N-Typ-Pufferbereich aufweisen, der zwischen dem Kollektorbereich und dem Driftbereich bereitgestellt ist und eine höhere Trägerkonzentration als diejenige in dem Driftbereich aufweist. Der wasserstoffhaltige Bereich kann in dem Pufferbereich enthalten sein.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat umfasst, geschaffen. Das Herstellungsverfahren kann ein Implantieren von Wasserstoff in das Halbleitersubstrat, um einen wasserstoffhaltigen Bereich zu bilden, umfassen. Das Herstellungsverfahren kann, in dem wasserstoffhaltigen Bereich, ein Ausbilden eines Lebensdauersteuerbereichs zum Einstellen einer Lebensdauer eines Trägers umfassen. Das Herstellungsverfahren kann ein Durchführen einer Wärmebehandlung an dem Halbleitersubstrat umfassen, um in dem wasserstoffhaltigen Bereich einen Hochkonzentrationsbereich mit einer höheren Trägerkonzentration als einer virtuellen Trägerkonzentration, die basierend auf einer Konzentration der enthaltenen Fremdstoffe und einem Aktivierungsanteil der Fremdstoffe bestimmt wird, zu bilden.
  • Der oben beschriebene zusammenfassende Abschnitt der Erfindung beschreibt nicht zwingend alle notwendigen Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann auch eine Unterkombination der oben beschriebenen Merkmale sein.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Halbleitervorrichtung 100.
    • 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Verteilung einer Trägerkonzentration und einer virtuellen Trägerkonzentration in einem Schnitt entlang der Linie A-A in 1 zeigt.
    • 3 ist ein Diagramm, das eine Trägerkonzentrationsverteilung und eine virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung zeigt.
    • 4 ist ein Diagramm, das eine zweite Spitze 112 in einem Hochkonzentrationsbereich 106-1 darstellt.
    • 5 ist ein Diagramm, das eine dritte Spitze 113 in einer Heliumkonzentrationsverteilung darstellt.
    • 6 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Trägerkonzentrationsverteilung und der virtuellen Trägerkonzentrationsverteilung zeigt.
    • 7 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Trägerkonzentrationsverteilung und der virtuellen Trägerkonzentrationsverteilung zeigt.
    • 8 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Struktur der Halbleitervorrichtung 100 darstellt.
    • 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Trägerkonzentrationsverteilung in Tiefenrichtung an einer Position zeigt, die entlang der B-B-Linie in 8 genommen ist.
    • 10 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Teil eines Verfahrens zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 100 darstellt.
    • 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Spannungs- und Stromwellenform während der Sperrverzögerung der Halbleitervorrichtung 100 darstellt.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung durch Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber die folgenden Ausführungsformen sollen die Erfindung der Ansprüche nicht einschränken. Auch sind nicht unbedingt alle in den Ausführungsformen beschriebenen Merkmalskombinationen für Lösungen der Erfindung wesentlich.
  • Wie hierin verwendet, wird eine Seite in einer Richtung parallel zur Tiefenrichtung eines Halbleitersubstrats als „oben“ und die andere Seite als „unten“ bezeichnet. Von zwei Hauptflächen eines Substrats, einer Schicht oder anderer Elemente wird eine Oberfläche als obere Oberfläche und die andere Oberfläche als untere Oberfläche bezeichnet. Eine „obere“ und „untere“ Richtung sind nicht auf die Schwerkraftrichtung oder eine Richtung, in der die Halbleitervorrichtung montiert ist, beschränkt.
  • Wie hierin verwendet, können in einigen Fällen technische Gegebenheiten unter Verwendung der orthogonalen Koordinatenachsen X-Achse, Y-Achse und Z-Achse beschrieben werden. Die orthogonalen Koordinatenachsen sollen lediglich die relativen Positionen der Komponenten angeben und nicht auf eine bestimmte Richtung beschränken. Beispielsweise soll die Z-Achse nicht darauf beschränkt sein, eine Höhenrichtung in Bezug auf den Boden anzugeben. Es ist zu beachten, dass eine +Z-Achsenrichtung und eine -Z-Achsenrichtung einander entgegengesetzte Richtungen sind. In einem Fall, in dem die Z-Achsenrichtung ohne Angabe des positiven und negativen Vorzeichens beschrieben wird, mint die Richtung eine Richtung parallel zu der +Z-Achse und der -Z-Achse.
  • Achsen, die orthogonal zueinander und parallel zu einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats sind, sind hierin die X-Achse und die Y-Achse. Zusätzlich ist eine Achse, die senkrecht zu der oberen Oberfläche und zu der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats ist, die Z-Achse. Die Richtung der Z-Achse kann hier als Tiefenrichtung bezeichnet werden. Zusätzlich kann eine Richtung parallel zu der oberen Oberfläche und zu der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, die die X-Achse und die Y-Achse enthält, hier als horizontale Richtung bezeichnet werden.
  • Wie hierin verwendet, kann die Bezugnahme auf „gleich“ oder „entsprechend“ einen Fehler aufgrund von der Herstellungsschwankungen oder dergleichen umfassen. Der Fehler liegt beispielsweise innerhalb von 10 %.
  • In der Beschreibung wird ein Leitfähigkeitstyp eines Dotierungsbereichs, in dem eine Dotierung mit einem Störstoff durchgeführt wurde, als P-Typ oder N-Typ beschrieben. Wie hierin verwendet, können Störstoffe insbesondere entweder einen Donor vom N-Typ oder einen Akzeptor vom P-Typ bedeuten und können als Dotand bezeichnet werden. Wie hierin verwendet, bedeutet Dotieren das Einbringen eines Donors oder eines Akzeptors in ein Halbleitersubstrat, um einen Halbleiter mit einer N-Typ-Leitfähigkeit oder einen Halbleiter mit einer P-Typ-Leitfähigkeit zu erhalten.
  • Wie hierin verwendet, bedeutet eine Dotierungskonzentration eine Konzentration eines Donors oder eine Konzentration eines Akzeptors in einem thermischen Gleichgewichtszustand. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet eine Nettodotierungskonzentration eine Nettokonzentration, die durch Addieren der Donorkonzentration als positive Ionen zu der Akzeptorkonzentration als negative Ionen erhalten wird, einschließlich der Polaritäten der Ladungen. Wenn beispielsweise die Donorkonzentration ND ist und die Akzeptorkonzentration NA ist, wird die Nettodotierungskonzentration an einer beliebigen Position zu ND - NA. Wie hierin verwendet, kann die Nettodotierungskonzentration einfach als Dotierungskonzentration bezeichnet werden.
  • Der Donor hat die Funktion, dem Halbleiter Elektronen zuzuführen. Der Akzeptor hat die Funktion, Elektronen aus dem Halbleiter aufzunehmen. Der Donor und der Akzeptor sind nicht auf Störstoffe selbst beschränkt. Beispielsweise fungiert ein VOH-Defekt als Ergebnis der Bindung einer Leerstelle (V), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H), die in einem Halbleiter vorhanden sind, als Donor für die Zufuhr eines Elektrons. Wie hierin verwendet, kann der VOH-Defekt als Wasserstoffdonor bezeichnet werden.
  • Wie hierin verwendet, gibt der P+-Typ oder der N+-Typ eine höhere Dotierungskonzentration als der P-Typ oder der N-Typ an, und der P-Typ oder der N-Typ gibt eine niedrigere Dotierungskonzentration als der P-Typ oder der N-Typ an. Wie hierin verwendet, gibt zudem der P++- Typ oder der N++- Typ eine höhere Dotierungskonzentration an als der P+-Typ oder der N+-Typ.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich eine chemische Konzentration auf eine Störstoffkonzentration, die unabhängig von einem elektrisch aktivierten Zustand gemessen wird. Die chemische Konzentration kann beispielsweise durch das Sekundärionen-Massenspektrometrieverfahren (SIMS-Verfahren) gemessen werden. Die oben erwähnte Nettodotierungskonzentration kann durch ein Spannungs-Kapazitäts-Messverfahren (CV-Verfahren) gemessen werden. Eine durch das Ausbreitungswiderstands-Messverfahren (SR-Messverfahren) gemessene Trägerkonzentration kann ebenfalls die Nettodotierungskonzentration sein. Die durch das CV-Verfahren oder das SR-Verfahren gemessene Trägerkonzentration kann ein Wert in einem thermischen Gleichgewichtszustand sein. Da zudem die Donorkonzentration in dem N-Typ-Bereich ausreichend größer als die Akzeptorkonzentration ist, kann die Trägerkonzentration in dem Bereich als Donorkonzentration verwendet werden. In ähnlicher Weise kann in dem P-Typ-Bereich die Trägerkonzentration in der Region als Akzeptorkonzentration verwendet werden. Wie hierin verwendet, kann die Dotierungskonzentration in einem N-Typ-Bereich als Donorkonzentration bezeichnet werden und die Dotierungskonzentration in einem P-Typ-Bereich kann als Akzeptorkonzentration bezeichnet werden.
  • Zudem kann in einem Fall, in dem eine Konzentrationsverteilung eines Donors, eines Akzeptors oder einer Nettodotierung eine Spitze aufweist, der Spitzenwert die Konzentration des Donors, des Akzeptors oder der Nettodotierung in dem Bereich sein. Wenn die Konzentration des Donors, des Akzeptors oder der Nettodotierung beispielsweise annähernd gleichförmig ist, kann ein Durchschnittswert der Konzentration des Donors, des Akzeptors oder der Nettodotierung in dem Bereich die Konzentration des Donors, des Akzeptors oder der Nettodotierung sein.
  • Die durch das SR-Verfahren gemessene Trägerkonzentration kann niedriger sein als die Konzentration des Donors oder des Akzeptors. In einem Bereich, in dem der Strom fließt, wenn ein Ausbreitungswiderstand gemessen wird, gibt es einen Fall, in dem die Trägermobilität des Halbleitersubstrats niedriger als der Wert des Kristallzustands ist. Die Abnahme der Trägermobilität tritt durch eine Trägerstreuung aufgrund einer Störung der Kristallstruktur auf, die durch einen Gitterdefekt oder dergleichen verursacht wird.
  • Die Donor- oder Akzeptorkonzentration, die aus der durch das CV-Verfahren oder das SR-Verfahren gemessenen Trägerkonzentration berechnet wird, kann niedriger sein als die chemische Konzentration eines Elements, das als Donor oder Akzeptor dient. Beispielsweise beträgt die Donorkonzentration von Phosphor oder Arsen, die als Donor dienen, oder die Akzeptorkonzentration von Bor, das als Akzeptor dient, in einem Siliziumhalbleiter etwa 99 % dieser chemischen Konzentrationen. Andererseits beträgt die Donorkonzentration von Wasserstoff als Donor in dem Siliziumhalbleiter etwa 0,1 % bis 10 % der chemischen Wasserstoffkonzentration. Hier wird das SI-Einheitensystem verwendet. Die Einheit eines Abstands oder einer Länge kann hier in cm (Zentimetern) dargestellt werden. In diesem Fall können Berechnungen durchgeführt werden, nachdem sie in m (Meter) umgerechnet wurden. Wenn beispielsweise einfach ein Begriff Konzentration hierin verwendet wird, bedeutet dies eine Konzentration pro Volumeneinheit (/cm3). Beispielsweise ist die chemische Konzentration von Störstoffen die Anzahl der Atome der enthaltenen Störstoffe pro Volumeneinheit (Atome/cm3).
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Halbleitervorrichtung 100. Die Halbleitervorrichtung 100 ist mit einer Transistorkomponente wie einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und einer Diodenkomponente wie einer Freilaufdiode (FWD) versehen, aber die Einzelheiten der Strukturen dieser Komponenten sind in 1 weggelassen.
  • Die Halbleitervorrichtung 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 10. Das Halbleitersubstrat 10 ist ein Substrat aus einem Halbleitermaterial. Als ein Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein Siliziumsubstrat. Das Halbleitersubstrat 10 enthält Störstoffe, die absichtlich oder unabsichtlich zum Zeitpunkt der Herstellung eines Halbleiterblocks hinzugefügt wurden. Das Halbleitersubstrat 10 weist eine Dotierungskonzentration auf, die durch Störstoffe und dergleichen bestimmt wird, die zum Zeitpunkt der Herstellung implantiert werden. In diesem Beispiel ist ein Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrats 10 der N-Typ. In einigen Fällen kann die Dotierungskonzentration in dem Halbleitersubstrat 10 als Grunddotierungskonzentration Db bezeichnet werden.
  • Wenn der Halbleiterblock beispielsweise Silizium ist, umfassen Störstoffe zum Bestimmen der Basisdotierungskonzentration Db N-Typ-Störstoffe (Dotanden) wie Phosphor, Antimon und Arsen und P-Typ-Störstoffe (Dotanden) wie Bor und Aluminium. Die Grunddotierungskonzentration Db kann niedriger sein als die chemische Konzentration des Dotanden des Halbleiterblocks. In einem Beispiel, in dem der Dotand Phosphor oder Bor ist, kann die Grunddotierungskonzentration Db 50 % oder mehr oder 90 % oder mehr der chemischen Konzentration des Dotanden betragen. In einem anderen Beispiel, in dem der Dotand Antimon ist, kann die Grunddotierungskonzentration Db 5 % oder mehr, 10 % oder mehr oder 50 % oder mehr der chemischen Konzentration des Dotanden betragen. Zudem kann das Halbleitersubstrat 10 Kohlenstoff und Sauerstoff enthalten. Der Kohlenstoff und der Sauerstoff können über die Gesamtheit des Halbleitersubstrats 10 verteilt sein. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterblöcken ist das Czochralski-Verfahren mit Magnetfeldanwendung (MCZ-Verfahren), es können jedoch auch andere Verfahren angewendet werden. Die anderen Verfahren umfassen das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) und das Zonenschmelzverfahren (FZ-Verfahren).
  • Das Halbleitersubstrat 10 umfasst eine obere Oberfläche 21 und eine untere Oberfläche 23. Die obere Oberfläche 21 und die untere Oberfläche 23 sind zwei Hauptflächen des Halbleitersubstrats 10. Achsen, die in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche 21 und der unteren Oberfläche 23 orthogonal zueinander sind, sind hier die X-Achse und die Y-Achse, und eine Achse, die senkrecht zu der oberen Oberfläche 21 und zu der unteren Oberfläche 23 ist, ist die Z-Achse.
  • Das Halbleitersubstrat 10 weist einen wasserstoffhaltigen Bereich 102 auf, der Wasserstoff enthält. In diesem Beispiel werden Wasserstoffionen von der Seite der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 in den wasserstoffhaltigen Bereich 102 implantiert. In diesem Beispiel sind die Wasserstoffionen Protonen. Die Wasserstoffionen können Deuteronen oder Tritonen sein. Der wasserstoffhaltige Bereich 102 ist ein Bereich, in dem die chemische Konzentration von Wasserstoff höher ist als die chemische Konzentration einer der anderen N-Typ-Störstoffe und P-Typ-Störstoffe. In dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 kann die chemische Konzentration von Wasserstoff größer oder gleich dem 100-fachen der chemischen Konzentration der Störstoffe mit der höchsten chemischen Konzentration unter den anderen N-Typ-Störstoffen und P-Typ-Störstoffen sein. Der wasserstoffhaltige Bereich 102 kann ein Bereich sein, in dem die chemische Konzentration von Wasserstoff größer oder gleich dem 10-fachen der Grunddotierungskonzentration Db ist. Der wasserstoffhaltige Bereich 102 kann ein Bereich sein, in dem die chemische Konzentration von Wasserstoff höher ist als die Grunddotierungskonzentration Db. Der wasserstoffhaltige Bereich 102 kann Störstoffe wie Helium enthalten, die nicht als N-Typ-Störstoffe oder P-Typ-Störstoffe fungieren. Die chemische Konzentration der Störstoffe wie Helium in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 kann höher sein als die chemische Konzentration von Wasserstoff. Die Störstoffe wie Helium können als Einstellungsstörstoffe zum Einstellen der Lebensdauer des Trägers des Halbleitersubstrats 10 fungieren.
  • Die von der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 implantierten Wasserstoffionen durchlaufen das Innere des Halbleitersubstrats 10 bis zu der Tiefe, die der Beschleunigungsenergie entspricht. In dem Bereich, den die Wasserstoffionen durchlaufen haben, werden Leerstellendefekte wie eine Leerstelle (V) und eine Doppelleerstelle (VV) ausgebildet. Wie hierin verwendet, umfasst eine Leerstelle eine Doppelleerstelle, sofern nichts anderes angegeben ist. Der Leerstellendefekt kann baumelnde Bindungen in der Leerstelle oder der Doppelleerstelle umfassen und kann ungepaarte Elektronen der baumelnden Bindungen umfassen. Wenn nach der Wasserstoffionenimplantation eine Wärmebehandlung an dem Halbleitersubstrat 10 durchgeführt wird, wird Wasserstoff diffundiert. Der diffundierte Wasserstoff bindet sich mit der Leerstelle (V) und Sauerstoff (O), um VOH-Defekte zu bilden. Die VOH-Defekte fungieren als Donor für die Zufuhr von Elektronen. Zusätzlich fungiert der diffundierte Wasserstoff selbst durch Aktivierung als Wasserstoffdonor. Somit wird der wasserstoffhaltige Bereich 102 zu einem N+-Typ-Bereich mit einer höheren Konzentration als der Grunddotierungskonzentration Db.
  • Wie hierin verwendet, wird ein Verhältnis der Konzentration des durch Störstoffe erzeugten Dotanden (Donor oder Akzeptor) zu der chemischen Konzentration der Störstoffe als Aktivierungsverhältnis der Störstoffe bezeichnet. Der durch Störstoffe erzeugte Dotand ist ein VOH-Defekt und im Fall von Wasserstoff ein Wasserstoffdonor. Bei anderen N-Typ-Störstoffen und P-Typ-Störstoffen ist der Dotand, der durch Störstoffe erzeugt wird, der Dotand als Ergebnis der Aktivierung der Störstoffe selbst. Im Allgemeinen wird die Dotierungskonzentration in dem Halbleitersubstrat 10 erhalten, indem die Konzentration der enthaltenen Störstoffe mit dem Aktivierungsverhältnis der Störstoffe multipliziert wird. Wenn beispielsweise Wasserstoff im Wesentlichen der einzige Störstoff ist, der in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 enthalten ist, wird erwartet, dass die Dotierungskonzentration in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 ein Wert ist, der durch Multiplizieren der chemischen Konzentration von Wasserstoff mit dem Aktivierungsverhältnis von Wasserstoff erhalten wird. Das Aktivierungsverhältnis von Wasserstoff kann etwa 0,1 % bis 80 % betragen, beispielsweise etwa 1 %. Wie hierin verwendet, wird eine Konzentration, die durch Multiplizieren der chemischen Konzentration der Störstoffe mit dem Aktivierungsverhältnis der Störstoffe erhalten wird, als virtuelle Trägerkonzentration (oder virtuelle Dotierungskonzentration) bezeichnet. Die virtuelle Trägerkonzentration wird für jede Position des Halbleitersubstrats 10 basierend auf der chemischen Konzentration und dem Aktivierungsverhältnis von Störstoffen bestimmt.
  • Der wasserstoffhaltige Bereich 102 umfasst einen Hochkonzentrationsbereich 106. Der Hochkonzentrationsbereich 106 ist ein Bereich mit einer Trägerkonzentration, die höher als die oben erwähnte virtuelle Trägerkonzentration ist. Alternativ ist der Hochkonzentrationsbereich 106 ein Bereich mit einer Dotierungskonzentration, die höher als die oben erwähnte virtuelle Dotierungskonzentration ist. Wie hierin verwendet, wird die Beschreibung unter Verwendung der Trägerkonzentration und der virtuellen Trägerkonzentration gegeben, aber die Trägerkonzentration und die virtuelle Trägerkonzentration können gegebenenfalls als Dotierungskonzentration und virtuelle Dotierungskonzentration gelesen werden. Beispielsweise kann der Hochkonzentrationsbereich 106 durch Einstellen der Verteilung von Leerstellendefekten in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 ausgebildet werden. Es wird erwartet, dass die Leerstellendefekte zur Zeit der Herstellung des Halbleitersubstrats 10 gleichmäßig über das gesamte Substrat verteilt sind. Wenn Wasserstoff in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 implantiert wird, werden die Leerstellendefekte entsprechend der Verteilung des implantierten Wasserstoffs verteilt. Wenn eine Wärmebehandlung nach der Wasserstoffimplantation durchgeführt wird, werden die Wasserstoffdonor- oder VOH-Defekte ausgebildet und die der Wasserstoffverteilung entsprechende Trägerkonzentrationsverteilung wird erhalten. Wenn die Wärmebehandlung mit neuen Leerstellendefekten durchgeführt wird, die in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 zusätzlich zu den durch die Wasserstoffimplantation gebildeten Leerstellendefekten erzeugt werden, bindet sich Wasserstoff in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 mit den neuen Leerstellendefekten, wodurch neue Wasserstoffdonor- oder VOH-Defekte entstehen. Mit diesen neuen VOH-Defekten wird der Hochkonzentrationsbereich 106 gebildet. Die neuen Leerstellendefekte können gebildet werden, indem ein Einstellungsstörstoff wie beispielsweise Helium, der nicht als Dotand fungiert, in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 implantiert wird. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „VOH-Defekt“ als ein Konzept verwendet, das einen Wasserstoffdonor oder einen durch Wasserstoffionenimplantation neu gebildeten Donor umfasst, sofern nichts anderes angegeben ist.
  • Der wasserstoffhaltige Bereich 102 dieses Beispiels umfasst einen Lebensdauersteuerbereich 104. Der Lebensdauersteuerbereich 104 ist ein Bereich, in dem aufgrund eines Lebensdauerbegrenzers zum Einstellen der Lebensdauer des gebildeten Trägers die Lebensdauer des Trägers verringert wird. Der Lebensdauerbegrenzer ist ein Trägerrekombinationszentrum, das ein Kristalldefekt sein kann, und kann ein Leerstellendefekt wie etwa eine Leerstelle oder eine Doppelleerstelle, ein Defektkomplex, der gebildet wird, weil die oben erwähnten Defekte mit Störstoffen eines Elements, aus dem das Halbleitersubstrat 10 besteht, oder eines anderen Elements als diesem kombiniert werden, eine Versetzung, ein Edelgaselement wie Helium, Neon oder Argon und ein Metallelement wie Platin sein. In diesem Beispiel wirken die durch die Implantation des Einstellungsstörstoffs wie Helium in dem Halbleitersubstrat 10 erzeugten Leerstellendefekte und dergleichen als Lebensdauerbegrenzer.
  • Wie es oben beschrieben ist, können die Leerstellendefekte als Ergebnis der Wärmebehandlung an Wasserstoff gebunden werden, um die VOH-Defekte zu bilden. Wenn viele Leerstellendefekte gebildet werden, steigt eine Rate der Leerstellendefekte, die ohne Bindung an Wasserstoff verbleiben, aufgrund einer unzureichenden Menge an Wasserstoff. Ein Bereich, in dem viele Leerstellendefekte vorhanden sind, bringt eine Verringerung der Trägerlebensdauer mit sich und dient somit als Lebensdauersteuerbereich 104. Unterdessen werden die Leerstellendefekte durch Bestrahlung mit dem Einstellungsstörstoff wie etwa Helium gebildet, wobei die Anzahl der Leerstellendefekte in der Nähe des Bereichs des Einstellungsstörstoffs groß ist und an einer Position, die weiter weg als der Bereich des Einstellungsstörstoffs ist, kleiner ist. Somit existiert in einem Bereich außerhalb des Bereichs des Einstellungsstörstoffs eine ausreichende Menge an Wasserstoff für Leerstellendefekte, wodurch eine Rate von Leerstellendefekten, die mit Wasserstoff eine Bindung eingehen, um VOH-Defekte zu bilden, zunimmt. Ein Bereich, in dem viele VOH-Defekte gebildet werden, fungiert als Hochkonzentrationsbereich 106.
  • In diesem Beispiel wird der Lebensdauersteuerbereich 104 durch Implantieren des Einstellungsstörstoffs von der Seite der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Der Hochkonzentrationsbereich 106 kann an einer Position außerhalb des Lebensdauersteuerbereichs 104 in einer Tiefenrichtung (Z-Achsenrichtung) bereitgestellt werden. Der Hochkonzentrationsbereich 106 dieses Beispiels ist an einer Position bereitgestellt, die relativ zu der unteren Oberfläche 23 tiefer als der Lebensdauersteuerbereich 104 ist.
  • Wenn der Einstellungsstörstoff in einer Spannbreite nahe dem Lebensdauersteuerbereich 104 von der Seite der unteren Oberfläche 23 implantiert wird, wird eine relativ große Anzahl von Leerstellendefekten und dergleichen in einem Bereich gebildet, den der Einstellungsstörstoff durchlaufen hat, während die Anzahl der gebildeten Leerstellendefekte in einem Bereich, der tiefer als die Spannbreite liegt, relativ gering ist. Somit ist in einem Bereich, der tiefer als die Spannbreite ist, die Rate der gebildeten Leerstellendefekte, die zu VOH-Defekten werden, hoch, wodurch die Bildung des Hochkonzentrationsbereichs 106 erleichtert wird. Es ist zu beachten, dass die Beziehung zwischen dem Lebensdauersteuerbereich 104 und dem Hochkonzentrationsbereich 106 nicht darauf beschränkt ist. Der Hochkonzentrationsbereich 106 kann an einer Position ausgebildet sein, die weniger tief als der Lebensdauersteuerbereich 104 ist.
  • Zusätzlich kann der Hochkonzentrationsbereich 106 gebildet werden, ohne den Lebensdauersteuerbereich 104 bereitzustellen. Beispielsweise kann durch Implantieren eines Einstellungsstörstoffs mit einer relativ niedrigen Konzentration nahe dem Hochkonzentrationsbereich 106 eine relativ kleine Anzahl von Leerstellendefekten im Vergleich zu Wasserstoff in dem Bereich ausgebildet werden. Somit wird die Rate der Leerstellendefekte, die zu VOH-Defekten werden, erhöht, wodurch der Hochkonzentrationsbereich 106 gebildet werden kann, ohne die Lebensdauer zu verringern. In diesem Fall kann der Hochkonzentrationsbereich 106 an einer beliebigen Position bereitgestellt werden, ohne dass dies durch die Position des Lebensdauersteuerbereichs 104 beschränkt wird.
  • Es ist zu beachten, dass durch Experimente bestätigt wurde, dass die Differenz zwischen der Trägerkonzentration und der virtuellen Trägerkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich 106 mit der chemischen Konzentration von Kohlenstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 zunimmt. So beträgt die chemische Konzentration von Kohlenstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 vorzugsweise 1 × 1013/cm3 oder mehr. Die chemische Konzentration von Kohlenstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 kann 1 × 1014/cm3 oder mehr und 1 × 1015/cm3 oder mehr betragen. Zudem kann die chemische Konzentration von Kohlenstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 1 × 1016/cm3 oder weniger, 5 × 1015/cm3 oder weniger und 1 × 1015/cm3 oder weniger betragen. Das Halbleitersubstrat 10 kann über seine Gesamtheit die oben erwähnte Kohlenstoffkonzentration aufweisen.
  • Zudem wird die Bildung der VOH-Defekte durch eine höhere Sauerstoffkonzentration erleichtert. Die chemische Konzentration von Sauerstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 kann 1 × 1017/cm3 oder mehr betragen. Die chemische Konzentration von Sauerstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 kann 5 × 1017/cm3 oder mehr und 1 × 1018/cm3 oder mehr betragen. Zudem kann die chemische Konzentration von Sauerstoff in dem Hochkonzentrationsbereich 106 1 × 1019/cm3 oder weniger, 5 × 1018/cm3 oder weniger und 1 × 1018/cm3 oder weniger betragen. Das Halbleitersubstrat 10 kann über seine Gesamtheit die oben erwähnte Sauerstoffkonzentration aufweisen.
  • Durch Herstellen des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung des MCZ-Verfahrens können die Kohlenstoffkonzentration und Sauerstoffkonzentration, die oben erwähnt sind, leicht erreicht werden. Dennoch kann das Halbleitersubstrat 10 nicht auf ein MCZ-Substrat, das unter Verwendung des MCZ-Verfahrens hergestellt wird, beschränkt sein.
  • Das Halbleitersubstrat 10 kann mit einem Driftbereich 18 versehen sein. Der Driftbereich 18 ist ein N-Typ-Bereich mit einer niedrigeren Dotierungskonzentration als derjenigen in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102. Die Dotierungskonzentration in dem Driftbereich 18 kann gleich der Grunddotierungskonzentration Db sein. Der Driftbereich 18 kann einen Bereich mit einer Dotierungskonzentration, die höher als die Grunddotierungskonzentration Db ist, umfassen. Die Dotierungskonzentrationsverteilung des Driftbereichs 18 kann in einem vorbestimmten Tiefenbereich LO ungefähr gleichmäßig oder flach sein. Der Ausdruck „gleichmäßig oder flach“ gibt eine Verteilung an, in der in dem vorbestimmten Tiefenbereich LO eine Änderung der Dotierungskonzentration einen Wertebereich angibt, der beispielsweise 80 % oder mehr und 120 % oder weniger der Grunddotierungskonzentration Db ist. Der vorbestimmte Tiefenbereich LO kann eine Länge innerhalb von 10 % einer Dicke W des Halbleitersubstrats 10 (also LO ≤ 0,1 WO), eine Länge innerhalb von 30 % davon (also LO ≤ 0,3 WO), eine Länge innerhalb von 50% davon (also LO ≤ 0,5 WO) oder eine Länge innerhalb von 70 % davon (also LO ≤ 0,7 WO) sein.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Verteilung der Trägerkonzentration und der virtuellen Trägerkonzentration in einem Schnitt entlang der Linie A-A in 1 darstellt. Der Schnitt entlang der Linie A-A umfasst die Gesamtheit des wasserstoffhaltigen Bereichs 102 und einen Teil des Driftbereichs 18 in Tiefenrichtung. 2 zeigt sowohl die chemische Wasserstoffkonzentrationsverteilung als auch die Heliumkonzentrationsverteilung in dem Schnitt entlang der Linie A-A. Helium ist ein Beispiel für den Einstellungsstörstoff zum Bilden des Lebensdauerbegrenzers. Die vertikale Achse und die horizontale Achse in 2 sind eine logarithmische Achse, die die Konzentrationen angibt, bzw. eine lineare Achse, die die Tiefenposition von der unteren Oberfläche 23 ab angibt. Es ist zu beachten, dass die Konzentrationsverteilung in jeder Figur eine Verteilung in der fertigen Halbleitervorrichtung 100 (d. h. nach der Wärmebehandlung) angibt. Zudem sind die chemische Wasserstoffkonzentration und die Heliumkonzentration in 2 chemische Konzentrationen, die beispielsweise unter Verwendung des SIMS-Verfahrens gemessen werden. Die Trägerkonzentration in 2 wird beispielsweise durch das SR-Verfahren gemessen.
  • In diesem Beispiel hat die Trägerkonzentrationsverteilung eine erste Spitze 111, die Heliumkonzentrationsverteilung eine dritte Spitze 113, eine virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung eine vierte Spitze 114 und die chemische Wasserstoffkonzentrationsverteilung eine fünfte Spitze 115. Jede Konzentrationsverteilung kann mehrere der Spitzen haben. Die mehreren ersten Spitzen 111 umfassen erste Spitzen 111-1, 111-2, 111-3 und 111-4 in dieser Reihenfolge von der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 ab. Die mehreren dritten Spitzen 113 umfassen dritte Spitzen 113-1, 113-2, 113-3 und 113-4 in dieser Reihenfolge von der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 ab. Di mehreren vierten Spitzen 114 umfassen vierte Spitzen 114-1, 114-2, 114- 3 und 114-4 in dieser Reihenfolge von der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 ab. Die mehreren fünften Spitzen 115 umfassen fünfte Spitzen 115-1, 115-2, 115-3 und 115-4 in dieser Reihenfolge von der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 ab. Zudem sind Tiefenpositionen mit den fünften Spitzen 115 in der Verteilung der chemischen Wasserstoffkonzentration, die lokale Maximalwerte angeben, als PH1, PH2, PH3 und PH4 in dieser Reihenfolge von der unteren Oberfläche 23 ab definiert. Zusätzlich ist eine Tiefenposition mit dem lokalen Maximalwert der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung als PHe definiert. Zudem ist eine Tiefenposition mit dem lokalen Maximalwert der zweiten Spitze 112 in der Trägerkonzentrationsverteilung in einem Hochkonzentrationsbereich 106-1 als P2 definiert.
  • In dem Beispiel in 2 ist die Position mit dem lokalen Maximalwert jeder ersten Spitze 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung die gleiche wie die Position mit dem lokalen Maximalwert jeder fünften Spitze 115 in der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung , aber diese Positionen stimmen möglicherweise nicht genau überein. Beispielsweise können die erste Spitze 111 und die fünfte Spitze 115 als im Wesentlichen an der gleichen Position befindlich angesehen werden, solange die Position mit dem lokalen Maximalwert der ersten Spitze 111 in einer Halbwertsbreite der fünften Spitze 115 enthalten ist.
  • Der wasserstoffhaltige Bereich 102 enthält Wasserstoff. In diesem Beispiel enthält der wasserstoffhaltige Bereich 102 im Wesentlichen keine anderen N-Typ-Störstoffe oder P-Typ-Störstoffe als Wasserstoff. Beispielsweise ist die chemische Wasserstoffkonzentration in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 nicht geringer als das 100-fache der chemischen Konzentration der N-Typ-Störstoffe und P-Typ-Störstoffe. In dem Beispiel von 2 ist ein Bereich, in dem die chemische Wasserstoffkonzentration nicht geringer als das Zehnfache der Grunddotierungskonzentration Db beträgt, der wasserstoffhaltige Bereich 102. Die fünfte Spitze 115 in der Verteilung der chemischen Wasserstoffkonzentration liegt nahe an der Reichweitenposition zu der Zeit der Wasserstoffionenimplantation. Wenn der wasserstoffhaltige Bereich 102 mehrere der fünften Spitzen 115 aufweist, können Wasserstoffionen mehrmals in den wasserstoffhaltigen Bereich 102 implantiert werden, während die Reichweite geändert wird. Die Änderung der Reichweite kann eine Änderung der Beschleunigungsenergie von Wasserstoffionen zu der Zeit der Ionenimplantation sein.
  • Die virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung ist eine Verteilung als Ergebnis des Multiplizierens der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung mit einem Aktivierungsverhältnis von weniger als 1. Das heißt, die virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung ist eine Verteilung mit der gleichen Form wie die chemische Wasserstoffkonzentrationsverteilung aber mit reduziertem Konzentrationswert. Das Aktivierungsverhältnis kann ein vorbestimmter Wert sein und kann basierend auf der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung und der Trägerkonzentrationsverteilung bestimmt werden. Beispielsweise ist der Spitzenwert der fünften Spitze 115-1, die unter den mehreren fünften Spitzen 115 in der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung am weitesten von der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung entfernt ist, als D 5-1 definiert. Der Spitzenwert der ersten Spitze 111-1, die sich unter den mehreren ersten Spitzen 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung an der gleichen Tiefenposition wie die fünfte Spitze 115-1 befindet, ist als D 1-1 definiert. Als Aktivierungsverhältnis kann ein Verhältnis (D 1-1/D 5-1) des Spitzenwerts D 1-1 der ersten Spitze 111-1 zu dem Spitzenwert D 5-1 der fünften Spitze 115-1 verwendet werden.
  • Die dritte Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung dieses Beispiels ist zwischen den Tiefenpositionen PH2 und PH3 mit den lokalen Maximalwerten von zwei fünften Spitzen 115 (die fünften Spitzen 115-2 und 115-3 in diesem Beispiel) in der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung in Tiefenrichtung angeordnet. In ähnlicher Weise ist die dritte Spitze 113 zwischen zwei ersten Spitzen 111 (die ersten Spitzen 111-2 und 111-3 in diesem Beispiel) in der Trägerkonzentrationsverteilung in Tiefenrichtung angeordnet. Beispielsweise ist die Tiefenposition PHe mit dem lokalen Maximalwert der dritten Spitze 113 in einem Bereich der Halbwertsbreite (FWHM) keiner der fünften Spitzen 115 enthalten. In ähnlicher Weise ist der Punkt mit dem lokalen Maximalwert der dritten Spitze 113 in einem Bereich der Halbwertsbreite keiner der ersten Spitzen 111 enthalten. Da sich die Position der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung von der fünften Spitze 115 unterscheidet, können die durch Heliumbestrahlung gebildeten Leerstellendefekte ohne Bindung an Wasserstoff verbleiben, wodurch die Trägerlebensdauer verkürzt werden kann. Somit wird die Bildung des Lebensdauersteuerbereichs 104 ermöglicht. Wenn Helium von der Seite der unteren Oberfläche 23 aus implantiert wird, ist der Gradient der Steigung, die weiter auf der Seite der unteren Oberfläche 23 als die dritte Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung liegt, wahrscheinlich kleiner als der Gradient der Steigung auf der Seite gegenüber der unteren Oberfläche 23.
  • Die Trägerkonzentrationsverteilung hat in dem Hochkonzentrationsbereich 106 einen höheren Konzentrationswert als die virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung. Es ist zu beachten, dass die Trägerkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich 106 höher ist als die Grunddotierungskonzentration Db des Halbleitersubstrats 10. Der Hochkonzentrationsbereich 106 kann zwischen den ersten Spitzen 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung angeordnet sein. In diesem Beispiel ist der Hochkonzentrationsbereich 106-1 zwischen der tiefsten ersten Spitze 111-4 und der zweittiefsten ersten Spitze 111-3 unter den ersten Spitzen 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung bereitgestellt.
  • In diesem Beispiel hat die Trägerkonzentrationsverteilung des Hochkonzentrationsbereichs 106-1 die zweite Spitze 112. Die Tiefenposition P2 der zweiten Spitze 112 in dem Hochkonzentrationsbereich 106-1 ist zwischen der Tiefenposition PH4 der ersten Spitze 111-4 und der Tiefenposition PH3 der ersten Spitze 111-3 angeordnet.
  • Zudem ist ein Hochkonzentrationsbereich 106-2 zwischen der ersten Spitze 111-4 und dem Driftbereich 18 bereitgestellt. Der Hochkonzentrationsbereich 106-1 und der Hochkonzentrationsbereich 106-2 können auf kontinuierliche Weise mit der enthaltenen ersten Spitze 111-4 versehen sein. In jedem Hochkonzentrationsbereich 106 kann der Maximalwert der Trägerkonzentration größer oder gleich dem 1,1-fachen, 1,5-fachen oder dem Doppelten der virtuellen Trägerkonzentration an der entsprechenden Tiefenposition sein.
  • Jeder Hochkonzentrationsbereich 106 kann einen Einstellungsstörstoff wie etwa Helium enthalten. Die Konzentration des Einstellungsstörstoffes, die in dem Hochkonzentrationsbereich 106 enthalten ist, kann höher sein als die Grunddotierungskonzentration Db. Der Hochkonzentrationsbereich 106 kann an einer Position bereitgestellt sein, die tiefer als die dritte Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung relativ zu der unteren Oberfläche 23 ist. In dem Hochkonzentrationsbereich 106 werden durch die Heliumimplantation Leerstellendefekte und dergleichen gebildet. Die Konzentrationsverteilung der Leerstellendefekte wird unter Bezugnahme auf 5 separat beschrieben. Wenn eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, gehen die Leerstellendefekte mit Wasserstoff und Sauerstoff eine Bindung ein, um Defekte einschließlich VOH zu bilden. Die Defekte einschließlich VOH fungieren als Donor, wodurch die Trägerkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich 106 höher wird als die virtuelle Trägerkonzentration. Bei einer solchen Konfiguration kann eine Trägerkonzentrationsverteilung erhalten werden, die sich von der virtuellen Trägerkonzentrationsverteilung unterscheidet. Andererseits wird in einem Abschnitt nahe der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung eine große Anzahl von Leerstellendefekten gebildet. Somit wird eine Rate verbleibender Leerstellendefekte erhöht und dadurch wird die Trägerkonzentration niedriger als die virtuelle Trägerkonzentration. Somit kann der Lebensdauersteuerbereich 104 gebildet werden. Gemäß diesem Beispiel kann der Hochkonzentrationsbereich 106 mit dem gleichen Prozess wie der Lebensdauersteuerbereich 104 gebildet werden.
  • Zudem ändert sich eine Steigung 117 der Trägerkonzentrationsverteilung in dem Bereich 106-2 mit hoher Konzentration in einer sanfteren Weise als eine Steigung 118 der virtuellen Trägerkonzentration. Das heißt, die Steigung 117 der Trägerkonzentrationsverteilung erstreckt sich zu einer tieferen Position als die Steigung 118 der virtuellen Trägerkonzentration. So kann beispielsweise, wenn die Halbleitervorrichtung 100 als Schaltkomponente wie etwa ein Transistor verwendet wird, das Schalten mit einer leicht geneigten Spannungs- und Stromwellenform durchgeführt werden. Die Steigung 118 kann einen Gradienten aufweisen, der mit zunehmendem Abstand von der unteren Oberfläche 23 abnimmt. Das heißt, die Steigung 118 kann eine nach unten konvexe Form haben. Die Steigung 117 kann einen Gradienten aufweisen, der mit zunehmendem Abstand von der unteren Oberfläche 23 zunimmt. Das heißt, die Steigung 117 kann eine nach oben konvexe Form haben.
  • Die Trägerkonzentration in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 kann höher sein als die Grunddotierungskonzentration Db des Halbleitersubstrats 10. Es ist zu beachten, dass die Trägerkonzentration in dem Lebensdauersteuerbereich 104 kleiner als die Grunddotierungskonzentration Db sein kann. Die Trägerkonzentrationsverteilung kann ein Tal 116 in dem Lebensdauersteuerbereich 104 aufweisen. Wenn ein Bereich zwischen den fünften Spitzen 115 in der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung als ein Zwischenspitzenbereich definiert ist, kann das Tal 116 in einem Zwischenspitzenbereich angeordnet sein, der mehr auf der Seite der unteren Oberfläche 23 liegt als ein Zwischenspitzenbereich, der mit dem Hochkonzentrationsbereich 106-1 versehen ist. Das Tal 116 dieses Beispiels ist in einem Zwischenspitzenbereich benachbart zu dem Zwischenspitzenbereich, der mit dem Hochkonzentrationsbereich 106-1 versehen ist, bereitgestellt, wobei die fünfte Spitze 115-3 dazwischen liegt. Das Tal 116 kann in dem Zwischenspitzenbereich angeordnet sein, der der gleiche ist wie der, der die dritten Spitzen 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung enthält.
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Trägerkonzentrationsverteilung und eine virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung darstellt. Die Trägerkonzentrationsverteilung und die virtuelle Trägerkonzentrationsverteilung in 3 sind die gleichen wie in dem in 2 dargestellten Beispiel. In diesem Beispiel ist der lokale Maximalwert jeder ersten Spitze 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung als D1 definiert und der lokale Maximalwert der vierten Spitze 114 in der virtuellen Trägerkonzentrationsverteilung als D4 definiert. Zudem ist der lokale Maximalwert der Trägerkonzentrationsverteilung des Hochkonzentrationsbereichs 106-1 als D2 definiert.
  • Der lokale Maximalwert D1 jeder der ersten Spitzen 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung übersteigt vielleicht nicht die virtuelle Trägerkonzentration an der entsprechenden Tiefenposition. Beispielsweise ist der lokale Maximalwert D1 mindestens einer der beiden ersten Spitzen 111-2 und 111-3, die auf beiden Seiten des Lebensdauersteuerbereichs 104 oder des Tals 116 angeordnet sind, kleiner als der lokale Maximalwert D4 der entsprechenden vierten Spitzen 114-2, 114-3. In einem Abschnitt nahe dem Lebensdauersteuerbereich 104 verbleibt eine große Anzahl von Leerstellendefekten, ohne VOH-Defekte zu sein, und daher ist die Trägerkonzentration wahrscheinlich niedrig.
  • 4 ist ein Diagramm, das die zweite Spitze 112 in dem Hochkonzentrationsbereich 106-1 darstellt. Die Verteilung der Trägerkonzentration in 4 ist die gleiche wie in dem in 2 dargestellten Beispiel. Die zweite Spitze 112 ist eine Spitze, die auf beiden Seiten der zweite Spitzen 112 in Tiefenrichtung sanfter geneigt ist als jede der beiden ersten Spitzen 111-3 und 111-4. Eine Breite W2 der zweiten Spitze 112 in Tiefenrichtung ist größer als jede der Breiten W1-3 und W1-4 der ersten Spitzen 111-3 und 111-4 in Tiefenrichtung. Die Halbwertsbreite kann als die Breite jeder Spitze verwendet werden. Wenn die Halbwertsbreite nicht an jeder Spitze gemessen werden kann, kann die Breite jeder Spitze unter Verwendung einer anderen Referenz als der Halbwertsbreite definiert werden. Beispielsweise kann die Breite jeder Spitze eine Breite eines Bereichs sein, in dem die Konzentration 80 % (0,8 × D) oder mehr des lokalen Maximalwerts D der Spitze beträgt.
  • Die Breite W2 der zweiten Spitze 112 kann größer sein als die Breite W1 jeglicher der ersten Spitzen 111 in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102. Bei diesem Beispiel kann eine gleichmäßige Trägerkonzentrationsverteilung in einem Bereich in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 nahe dem Driftbereich 18 erhalten werden.
  • 5 ist ein Diagramm, das die dritte Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung darstellt. 5 zeigt auch eine Leerstellendefektkonzentrationsverteilung. Die Leerstellendefektkonzentrationsverteilung ist eine Verteilung der Konzentration der Leerstellendefekte, die durch die Ionenimplantation mit dem Einstellungsstörstoff wie etwa Heliumionen gebildet werden. Die Leerstellendefektkonzentrationsverteilung weist eine Spitze 119 auf. Die Trägerkonzentrationsverteilung und die Heliumkonzentrationsverteilung in 5 sind die gleichen wie in dem in 2 dargestellten Beispiel. In diesem Beispiel ist die Breite der dritten Spitze 113 in der Tiefenrichtung als Wk definiert. Die Halbwertsbreite der dritten Spitze 113 kann als Breite Wk verwendet werden. Zudem ist eine Breite eines Zwischenspitzenbereichs zwischen den ersten Spitzen 111 in der Trägerkonzentrationsverteilung als L definiert. In dem Beispiel von 5 ist die Breite eines Zwischenspitzenbereichs zwischen den ersten Spitzen 111-1 und 111-2 als L12 definiert, die Breite eines Zwischenspitzenbereichs zwischen den ersten Spitzen 111-2 und 111-3 als L23 definiert und die Breite eines Zwischenspitzenbereichs zwischen den ersten Spitzen 111-3 und 111-4 als L34 definiert.
  • Die Breite Wk der dritten Spitze 113 dieses Beispiels ist größer als die Breite L jeglicher der Zwischenspitzenbereiche. Ein Bereich der Breite Wk der dritten Spitzen 113 kann mehrere erste Spitzen 111 enthalten. In dem Beispiel von 5 sind die ersten Spitzen 111-2 und 111-3 in dem Bereich der Breite Wk enthalten. Die Breite Wk kann 5 µm oder mehr betragen und kann 10 µm oder mehr betragen. Die Breite Wk kann in Tiefenrichtung kleiner sein als die Breite des wasserstoffhaltigen Bereichs 102. Durch Einstellen der Breite Wk der dritten Spitze 113 so, dass sie groß ist, kann Helium auch an Positionen außerhalb der Spitzenposition PHe der dritten Spitze 113 verteilt werden. Somit kann der Hochkonzentrationsbereich 106 mit VOH-Defekten gebildet werden, die an Positionen außerhalb der Spitzenposition PHe gebildet werden. Zusätzlich kann der Hochkonzentrationsbereich 106 leicht in der Nähe des Driftbereichs 18 gebildet werden, wodurch die Trägerkonzentrationsverteilung in der Nähe des Driftbereichs 18 graduell geändert werden kann.
  • Die Spitze 119 in der Leerstellendefektkonzentrationsverteilung kann nahe der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung positioniert sein. In diesem Beispiel stimmt die Spitzenposition PV der Spitze 119 mit der Spitzenposition PHe der dritten Spitze 113 überein. Die Spitzenposition PV der Spitze 119 stimmt möglicherweise nicht mit der Spitzenposition PHe der dritten Spitze 113 überein. Die Leerstellendefektkonzentrationsverteilung kann die Position PHe der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung einschließen. Die Verteilung der Spitze 119 in der Leerstellendefektkonzentrationsverteilung ist schmaler als die Verteilungsbreite der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung. Die Position PV der Spitze 119 kann zwischen den Spitzenpositionen der beiden zueinander benachbarten Wasserstoffkonzentrationen in Tiefenrichtung positioniert sein, wobei die Position PHe dazwischen liegt. Die Spitze 119 in der Leerstellendefektkonzentrationsverteilung dieses Beispiels ist zwischen den ersten Spitzen 111-2 und 111-3 der Trägerkonzentration verteilt. Eine Breite Wv zwischen den beiden Positionen, deren Konzentration 10 % der Spitzenkonzentration der Leerstellendefektkonzentrationsverteilung ist, kann schmaler als eine Breite L23 sein. Die Leerstellendefekte werden innerhalb des Halbleitersubstrats 10 durch die Ionenimplantation mit dem Einstellungsstörstoff gebildet. Wasserstoff, der um die Leerstellendefekte herum vorhanden ist, schließt die baumelnden Bindungen der Leerstellendefekte ab. Somit nimmt die Konzentration der gebildeten Leerstellendefekte ab. Die Leerstellendefektkonzentration nimmt insbesondere an den ersten Spitzen 111-2 und 111-3 aufgrund der hohen chemischen Wasserstoffkonzentration dort ab. Somit ist die Verteilung der Leerstellendefektkonzentration zwischen den ersten Spitzen 111-2 und 111-3 eingegrenzt. Das heißt, die Tiefe und die Breite des Rekombinationszentrums können genau gesteuert werden, wobei das Rekombinationszentrum aufgrund der Leerstellendefekte lokal zwischen zwei Trägerkonzentrationsspitzen verteilt ist. Der Gradient der Konzentrationssteigungen auf beiden Seiten der Spitzenposition PV in der Leerstellendefektkonzentrationsverteilung kann größer sein als der Gradient der Konzentrationssteigung auf beiden Seiten der Spitzenposition PHe in der Heliumkonzentrationsverteilung.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Trägerkonzentrationsverteilung und der virtuellen Trägerkonzentrationsverteilung darstellt. In der Trägerkonzentrationsverteilung, die unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben ist, ist der lokale Maximalwert D2 der zweiten Spitze 112 kleiner als jegliche der lokalen Maximalwerte D1-3 und D1-4 der beiden ersten Spitzen 111-3 und 111-4 auf beiden Seiten der zweiten Spitze 112. Alternativ kann der lokale Maximalwert D2 der zweiten Spitze 112 größer als mindestens einer der lokalen Maximalwerte D1-3 und D1-4 sein. In diesem Beispiel ist der lokale Maximalwert D2 der zweiten Spitze 112 größer als jeglicher der lokalen Maximalwerte D1-3 und D1-4. Bei einer solchen Konfiguration kann die Trägerkonzentrationsverteilung in der Nähe des Driftbereichs 18 noch gradueller geändert werden.
  • Die in 6 dargestellte Trägerkonzentrationsverteilung hat einen lokalen Minimalwert (Tal) zwischen der ersten Spitze 111-3 und der zweiten Spitze 112 und zwischen der zweiten Spitze 112 und der ersten Spitze 111-4. In einem alternativen Beispiel hat die Trägerkonzentrationsverteilung möglicherweise keinen lokalen Minimalwert (kein Tal), zumindest nicht zwischen der ersten Spitze 111-3 und der zweiten Spitze 112 und zwischen der zweiten Spitze 112 und der ersten Spitze 111-4. Die Trägerkonzentrationsverteilung kann eine einzelne Spitze aufweisen, die zwischen den Tiefenpositionen PH3 und PH4 gebildet ist. Das heißt, die Trägerkonzentrationsverteilung zwischen den Tiefenpositionen PH3 und PH4 hat möglicherweise keinen lokalen Minimalwert (kein Tal).
  • 7 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Trägerkonzentrationsverteilung und der virtuellen Trägerkonzentrationsverteilung darstellt. Dieses Beispiel zeigt die Breite W2 der zweiten Spitze 112, die größer ist als die in den in 1 bis 6 dargestellten Beispielen ist. Durch Anpassen der Sauerstoffkonzentration in dem Halbleitersubstrat 10 kann beispielsweise die zweite Spitze 112 mit der größeren Breite W2 ausgebildet werden. Die Sauerstoffkonzentration in dem Halbleitersubstrat 10 in diesem Beispiel kann 1 × 1017/cm3 oder mehr, 5 × 1017/cm3 oder mehr und 1 × 1018/cm3 oder mehr betragen. Alternativ kann die Sauerstoffkonzentration 1 × 1018/cm3 oder weniger betragen. Die anderen Konfigurationen können die gleichen sein wie die in den in 1 bis 6 dargestellten Beispielen. Das Halbleitersubstrat 10 kann ein durch das MCZ-Verfahren hergestelltes Substrat sein.
  • Auch in diesem Beispiel wird Helium an der Tiefenposition PHe implantiert. Somit kann der Hochkonzentrationsbereich 106 gebildet werden. Die Heliumdosis kann 5 × 1010/cm2 oder mehr, 1 × 1011/cm2 oder mehr und 1 × 1012/cm2 oder mehr betragen. Zudem kann Helium durch Ändern der Reichweite an mehreren Tiefenpositionen implantiert werden, um eine gleichmäßige Verteilung von Helium über einen weiten Bereich zu erreichen. In diesem Fall kann die Gesamtdosis von Helium 5 × 1010/cm2 oder mehr, 1 × 1011/cm2 oder mehr und 1 × 1012/cm2 oder mehr betragen. Alternativ kann die Halbwertsbreite der Heliumionen durch Erhöhen der Beschleunigungsenergie der Heliumionen erhöht werden.
  • Die Halbwertsbreite W2 der zweiten Spitze 112 dieses Beispiels kann größer sein als eine Hälfte eines fünften Spitzenintervalls W5 zwischen der tiefsten fünften Spitze 115-4 und der zweittiefsten fünften Spitze 115-3 der fünften Spitzen 115 in der Verteilung der chemischen Wasserstoffkonzentration. In diesem Beispiel kann die Dosis für die fünfte Spitze 115-4, die sich an der tiefsten Position befindet, 1 × 1012/cm2 oder mehr, 7 × 1012/cm2 oder mehr und 1 × 1013/cm2 oder mehr betragen. Mit einer großen Dosis für die fünfte Spitze 115-4 kann die Menge an Wasserstoff zum Abschließen von Leerstellendefekten sichergestellt werden. Dies erleichtert die Bildung der zweiten Spitze 112 mit einer großen Breite W2.
  • Es ist zu beachten, dass eine Tiefenposition, an der die Trägerkonzentration, die von dem Scheitelpunkt der zweiten Spitze 112 in Richtung des Driftbereichs 18 verfolgt wird, zuerst die Hälfte der Scheitelpunktkonzentration D2 (D2/2) erreicht, als Zb definiert ist. Der Abstand von dem Scheitelpunkt der zweiten Spitze 112 zu der Tiefenposition Zb in Tiefenrichtung kann die Hälfte der Halbwertsbreite W2 sein. Das heißt, die Halbwertsbreite W2 kann das Doppelte dieses Abstands betragen. In diesem Fall kann die Halbwertsbreite W2 selbst dann definiert werden, wenn die Trägerkonzentration nicht mehr auf der Seite der unteren Oberfläche 23 als auf der des Scheitelpunkts der zweiten Spitze 112 auf oder unter D2/2 fällt.
  • Mit der großen Breite W2 kann die Trägerkonzentrationsverteilung in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102 bei hoher Konzentration abgeflacht werden. Wenn der wasserstoffhaltige Bereich 102 beispielsweise als später beschriebener Pufferbereich verwendet wird, kann die Spannungswellenform während der Sperrverzögerung der Halbleitervorrichtung 100 leicht geneigt werden, wodurch eine weiche Sperrverzögerung erreicht werden kann. Zudem wird die Feldstärke auf der unteren Oberfläche 23 entspannt, wodurch eine Lawinendurchbruchsbeständigkeit auf der unteren Oberfläche 23 verbessert werden kann. Die Halbwertsbreite W2 der zweiten Spitze 112 kann größer oder gleich dem fünften Spitzenintervall W5 sein.
  • Der Scheitelpunkt jeweils der fünften Spitze 115-4 und der fünften Spitze 115-3 kann in einem Tiefenbereich der Halbwertsbreite W2 der zweiten Spitze 112 angeordnet sein. Somit kann die zweite Spitze 112 eine sanftere Steigung aufweisen. In diesem Fall kann die Trägerkonzentrationsverteilung die vierte Spitze 114 oder einen Knick an jeder der Tiefenpositionen PH3 und PH4 aufweisen. Der Knick ist ein Punkt, an dem sich der Gradient der Verteilungswellenform (d. h. die Ableitung) unstetig ändert. Zudem kann die Halbwertsbreite W2 der zweiten Spitze 112 5 µm oder mehr, 10 µm oder mehr oder 15 µm oder mehr betragen.
  • 8 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Struktur der Halbleitervorrichtung 100 darstellt. Die Halbleitervorrichtung 100 dieses Beispiels fungiert als Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Die Halbleitervorrichtung 100 dieses Beispiels umfasst ein Halbleitersubstrat 10, einen dielektrischen Zwischenschichtfilm 38, eine Emitterelektrode 52 und eine Kollektorelektrode 54. Der dielektrische Zwischenschichtfilm 38 ist so ausgebildet, dass er mindestens einen Abschnitt der oberen Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 10 bedeckt. Durchgangslöcher wie etwa ein Kontaktloch sind auf dem dielektrischen Zwischenschichtfilm 38 ausgebildet. Das Kontaktloch legt die obere Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 10 frei. Der dielektrische Zwischenschichtfilm 38 kann Silikatglas wie PSG, BPSG und dergleichen sein und kann ein Oxidfilm, ein Nitridfilm oder dergleichen sein.
  • Die Emitterelektrode 52 ist auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 und einer oberen Oberfläche des dielektrischen Zwischenschichtfilms 38 ausgebildet. Die Emitterelektrode 52 ist auch innerhalb des Kontaktlochs und in Kontakt mit der oberen Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 10, die durch das Kontaktloch freigelegt ist, ausgebildet.
  • Die Kollektorelektrode 54 ist auf der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet. Die Kollektorelektrode 54 kann mit der gesamten unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 in Kontakt stehen. Die Emitterelektrode 52 und die Kollektorelektrode 54 sind aus einem Metallmaterial wie Aluminium gebildet.
  • In dem Halbleitersubstrat 10 dieses Beispiels sind ein N-Typ-Driftbereich 18, ein N+-Typ-Emitterbereich 12, ein P-Typ-Basisbereich 14, ein N+-Typ-Akkumulationsbereich 16, ein N+-Typ-Pufferbereich 20 und ein P+-Typ-Kollektorbereich 22 bereitgestellt.
  • Der Emitterbereich 12 ist in Kontakt mit der oberen Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt und hat eine Donorkonzentration, die höher ist als die in dem Driftbereich 18. Der Emitterbereich 12 enthält einen N-Typ-Störstoff wie beispielsweise Phosphor.
  • Der Basisbereich 14 ist zwischen dem Emitterbereich 12 und dem Driftbereich 18 bereitgestellt. Der Basisbereich 14 enthält einen P-Typ-Störstoff wie beispielsweise Bor.
  • Der Akkumulationsbereich 16 ist zwischen dem Basisbereich 14 und dem Driftbereich 18 bereitgestellt und weist eine oder mehrere Donorkonzentrationsspitzen auf, deren Donorkonzentration höher ist als die in dem Driftbereich 18. Der Akkumulationsbereich 16 kann N-Typ-Störstoff wie Phosphor enthalten oder kann Wasserstoff enthalten.
  • Der Kollektorbereich 22 ist in Kontakt mit der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt. Eine Akzeptorkonzentration in dem Kollektorbereich 22 kann höher sein als eine Akzeptorkonzentration in dem Basisbereich 14. Der Kollektorbereich 22 kann den gleichen P-Typ-Störstoff wie der Basisbereich 14 enthalten und kann einen anderen P-Typ-Störstoff enthalten.
  • Der Pufferbereich 20 ist zwischen dem Kollektorbereich 22 und dem Driftbereich 18 bereitgestellt und weist eine oder mehrere Donorkonzentrationsspitze auf, deren Donorkonzentration höher ist als die in dem Driftbereich 18. Der Pufferbereich 20 enthält einen N-Typ-Störstoff wie etwa Wasserstoff. Der Pufferbereich 20 kann als Feldstoppschicht fungieren, um zu verhindern, dass eine sich von einer Seite einer unteren Oberfläche des Basisbereichs 14 ausbreitende Verarmungsschicht den Kollektorbereich 22 erreicht.
  • Der unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschriebene wasserstoffhaltige Bereich 102 ist in dem Pufferbereich 20 enthalten. In diesem Beispiel fungiert der wasserstoffhaltige Bereich 102 als Gesamtheit des Pufferbereichs 20. Der Pufferbereich 20 dieses Beispiels umfasst den Hochkonzentrationsbereich 106, der unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben ist. Der Pufferbereich 20 kann ferner den Lebensdauersteuerbereich 104 umfassen, der unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben ist.
  • Wenn der Pufferbereich 20 mit dem Hochkonzentrationsbereich 106 versehen ist, kann die Trägerkonzentrationsverteilung des Pufferbereichs 20 in der Nähe des Driftbereichs 18 moderat geändert werden. Somit kann die Wellenform der Spannung und des Stroms zu der Zeit des Schaltens der Halbleitervorrichtung 100 graduell geändert werden. Zudem kann eine hohe Donorkonzentration nahe dem Driftbereich 18 erreicht werden, so dass die Ausdehnung der Verarmungsschicht von der unteren Oberflächenseite des Basisbereichs 14 wirksamer unterdrückt werden kann.
  • Ein Gate-Grabenabschnitt 40 verläuft durch die obere Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 10, den Emitterbereich 12, den Basisbereich 14 und den Akkumulationsbereich 16 in den Driftbereich 18. Der Akkumulationsbereich 16 dieses Beispiels ist über einem unteren Ende des Gate-Grabenabschnitts 40 angeordnet. Der Akkumulationsbereich 16 kann so bereitgestellt sein, dass er die gesamte untere Oberfläche des Basisbereichs 14 bedeckt. Das Versehen des Akkumulationsbereichs 16 mit einer eine höheren Konzentration als der in dem Driftbereich 18 zwischen dem Driftbereich 18 und dem Basisbereich 14 verstärkt den Trägerinjektionsverstärkungseffekt (Injektionsverstärkungseffekt, IE-Effekt) und reduziert so die EIN-Spannung an dem IGBT.
  • Der Gate-Grabenabschnitt 40 umfasst einen Gate-Graben, einen dielektrischen Gate-Film 42 und einen leitenden Gate-Abschnitt 44, der näher an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet ist. Der dielektrische Gate-Film 42 ist so ausgebildet, dass er die Innenwand des Gate-Grabens bedeckt. Der dielektrische Gate-Film 42 kann durch Oxidieren oder Nitrieren des Halbleiters der Innenwand des Gate-Grabens gebildet werden. Der leitende Gate-Abschnitt 44 ist tiefer in dem Gate-Graben ausgebildet als der dielektrische Gate-Film 42. Das heißt, der dielektrische Gate-Film 42 isoliert den leitenden Gate-Abschnitt 44 und das Halbleitersubstrat 10. Der leitende Gate-Abschnitt 44 besteht aus einem leitenden Material wie Polysilicium.
  • Der leitende Gate-Abschnitt 44 umfasst einen Bereich gegenüber dem Basisbereich 14, der in den dielektrischen Gate-Film 42 eingreift. Obwohl der Gate-Grabenabschnitt 40 dieses Querschnitts in der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 mit dem dielektrischen Zwischenschichtilm 38 bedeckt ist, ist der leitende Gate-Abschnitt 44 in anderen Querschnitten mit einer Gate-Elektrode verbunden. Wenn eine vorbestimmte Gate-Spannung an den leitenden Gate-Abschnitt 44 angelegt wird, wird ein Kanal der Elektroneninversionsschicht auf einer äußeren Schicht des Basisbereichs 14 gebildet, der eine Schnittstelle mit dem Gate-Grabenabschnitt 40 bildet.
  • 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Trägerkonzentrationsverteilung in Tiefenrichtung an einer Position zeigt, die entlang der B-B-Linie in 8 genommen ist. Die horizontale Achse und die vertikale Achse in 9 sind eine logarithmische Achse, die die Trägerkonzentration angibt, bzw. eine lineare Achse, die den Abstand von der unteren Oberfläche 23 angibt.
  • Eine Trägerkonzentrationsverteilung in dem Pufferbereich 20 dieses Beispiels weist mehrere erste Spitzen 111 auf, die an verschiedenen Positionen in der Tiefenrichtung bereitgestellt sind. Der Pufferbereich 20 umfasst den Hochkonzentrationsbereich 106 zwischen den ersten Spitzen 111. Der Pufferbereich 20 kann den Hochkonzentrationsbereich 106 zwischen dem Driftbereich 18 und einer von mehreren ersten Spitzen 111, die dem Driftbereich 18 am nächsten liegt, umfassen. Wenn der Hochkonzentrationsbereich 106 bereitgestellt wird, wird die Verhinderung der Ausdehnung der Verarmungsschicht von der Seite der oberen Oberfläche 21 aus erleichtert.
  • Der Akkumulationsbereich 16 dieses Beispiels enthält mehrere Spitzen 25, aber der Akkumulationsbereich 16 kann auch eine einzelne Spitze 25 aufweisen. Die Spitzen 25 sind Donorkonzentrationsspitzen. Die Spitzen 25 können durch Implantieren von Wasserstoff gebildet werden. In diesem Fall kann der Hochkonzentrationsbereich 106 in dem Akkumulationsbereich 16 bereitgestellt sein. Der Lebensdauersteuerbereich 104 kann unterhalb des Akkumulationsbereichs 16 bereitgestellt sein und der Hochkonzentrationsbereich 106 kann innerhalb des Akkumulationsbereichs 16 bereitgestellt sein. Der Hochkonzentrationsbereich 106 kann als die Spitze 25 in dem Akkumulationsbereich 16 fungieren. Der Hochkonzentrationsbereich 106 kann in Tiefenrichtung über die Gesamtheit des Akkumulationsbereichs 16 ausgebildet sein.
  • 10 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Teil eines Verfahrens zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 100 darstellt. 10 zeigt einen Schritt zum Ausbilden des Hochkonzentrationsbereichs 106. Die in 8 dargestellten Strukturen werden vor und nach dem in 10 dargestellten Schritt ausgebildet.
  • In S902 werden Wasserstoffionen von der Seite der unteren Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 10 aus implantiert. In S902 können Wasserstoffionen mehrere Male implantiert werden, während die Reichweite geändert wird. Als Nächstes wird in S904 das Halbleitersubstrat 10 ausgeheilt. Dies führt zur Bildung von Wasserstoffdonoren und VOH-Defekten, und somit wird der wasserstoffhaltige Bereich 102 gebildet.
  • Als Nächstes wird in S906 ein Einstellungsstörstoff wie etwa Helium in den wasserstoffhaltigen Bereich 102 implantiert. In S906 wird, wie es oben unter Bezugnahme auf 5 und dergleichen beschrieben ist, vorzugsweise Helium implantiert, um die Breite Wk der dritten Spitze 113 in der Heliumkonzentrationsverteilung größer als das Intervall der fünften Spitzen 115 in der chemischen Wasserstoffkonzentrationsverteilung zu machen. In S906 kann Helium mehrere Male implantiert werden, während die Reichweite geändert wird, um eine dritte Spitze 113 mit einer größeren Breite Wk zu bilden. Die Heliumkonzentrationsverteilung kann mehrere dritte Spitzen 113 aufweisen. Der Reichweite der Heliumionen in dem Siliziumsubstrat beträgt etwa 10 µm, wenn die Beschleunigungsenergie 2,5 MeV beträgt.
  • Es ist zu beachten, dass in der in 7 dargestellten Ausführungsform die Beschleunigungsenergie noch höher eingestellt werden kann, um die Breite W2 der zweiten Spitze 112 durch eine einzelne Implantation von Heliumionen zu erhöhen. In diesem Fall ist die Reichweite der Heliumionen tiefer als eine vorbestimmte Position. Somit wird ein Absorber wie etwa Aluminium mit einer vorbestimmten Dicke zwischen dem Heliumionenbeschleuniger und dem Halbleitersubstrat eingefügt. Die zweite Spitze 112 der Heliumionen kann so eingestellt werden, dass sie sich in einer vorbestimmten Tiefe von der Implantationsoberfläche des Halbleitersubstrats befindet, wobei der Absorber die Energie der Heliumionen absorbiert. Beispielsweise wird eine Halbwertsbreite von etwa 12 µm erhalten, wenn die Beschleunigungsenergie von Heliumionen auf 24 MeV eingestellt ist.
  • Als Nächstes wird in S908 das Halbleitersubstrat 10 ausgeheilt. Der Ausheilungszustand in S908 kann der gleiche sein wie der in S904 oder sich davon unterscheiden. Die Wärmebehandlung, die an dem Halbleitersubstrat 10 in S908 durchgeführt wird, führt zur Bildung des Hochkonzentrationsbereichs in dem wasserstoffhaltigen Bereich 102.
  • In S902 und S906 kann die Konzentration von implantiertem Wasserstoff oder Helium basierend auf der Konzentration von Kohlenstoff, die in dem Halbleitersubstrat 10 enthalten ist, eingestellt werden. Beispielsweise kann die Konzentration von implantiertem Wasserstoff oder Helium für eine höhere Konzentration von Kohlenstoff, die in dem Halbleitersubstrat 10 enthalten ist, verringert werden. Somit kann der Hochkonzentrationsbereich 106 unabhängig von der in dem Halbleitersubstrat 10 enthaltenen Kohlenstoffkonzentration mit einer konstanten Konzentration gebildet werden.
  • 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Spannungs- und Stromwellenform während der Sperrverzögerung der Halbleitervorrichtung 100 darstellt. 11 zeigt eine Wellenform der Halbleitervorrichtung 100 gemäß der in 8 dargestellten Ausführungsform und eine Wellenform einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel. Die Halbleitervorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung 100 darin, dass der Hochkonzentrationsbereich 106 nicht bereitgestellt ist. Die anderen Strukturen sind die gleichen wie die in der Halbleitervorrichtung 100.
  • Wie es in 11 dargestellt ist, wird in dem Vergleichsbeispiel di/dt der Stromwellenform unmittelbar vor dem Verschwinden des Sperrverzögerungsstroms groß. Somit weist die Spannungswellenform einen relativ großen Spannungsstoß auf. Andererseits weist der Pufferbereich 20 gemäß der Ausführungsform eine Trägerkonzentrationsverteilung mit sanfter Steigung auf, so dass die Stromwellenform bis zu dem Ende des Sperrverzögerungsvorgangs eine sanfte Steigung haben kann. Somit kann der Spannungsstoß in der Spannungswellenform unterdrückt werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung über die Ausführungsformen beschrieben wurde, ist der technische Umfang der Erfindung nicht auf den Umfang der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen oder Verbesserungen zu den oben beschriebenen Ausführungsformen hinzugefügt werden können. Aus den Ansprüchen geht auch hervor, dass die mit solchen Änderungen oder Verbesserungen versehenen Ausführungsformen unter den technischen Umfang der Erfindung fallen sollen.
  • Es ist zu beachten, dass die Operationen, Prozeduren, Schritte, Stufen und dergleichen jedes Prozesses, die von einer Vorrichtung, einem System, einem Programm und einem Verfahren ausgeführt werden, die in den Ansprüchen, Ausführungsformen oder Zeichnungen gezeigt sind, in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können, solange die Reihenfolge nicht durch „vor“, „vorher“ oder dergleichen angegeben ist und solange die Ausgabe eines vorherigen Prozesses nicht in einem späteren Prozess verwendet wird. Selbst wenn Prozessabläufe der Einfachheit halber unter Verwendung von Ausdrücken wie „zuerst“ oder „als Nächstes“ in den Ansprüchen, Ausführungsformen oder Zeichnungen beschrieben werden, bedeutet dies nicht notwendigerweise, dass sie in dieser Reihenfolge ausgeführt werden müssen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Halbleitersubstrat,
    12
    Emitterbereich,
    14
    Basisbereich,
    16
    Akkumulationsbereich,
    18
    Driftbereich,
    20
    Pufferbereich,
    21
    Obere Oberfläche,
    22
    Kollektorbereich,
    23
    Untere Oberfläche,
    25
    Spitze,
    38
    Dielektrischer Zwischenschichtfilm,
    40
    Gate-Grabenabschnitt,
    42
    Dielektrischer Gate-Film,
    44
    Leitender Gate-Abschnitt,
    52
    Emitterelektrode,
    54
    Kollektorelektrode,
    100
    Halbleitervorrichtung,
    102
    Wasserstoffhaltiger Bereich,
    104
    Lebensdauersteuerbereich,
    106
    Hochkonzentrationsbereich,
    111
    Erste Spitze,
    112
    Zweite Spitze,
    113
    Dritte Spitze,
    114
    Vierte Spitze,
    115
    Fünfte Spitze,
    116
    Tal,
    117
    Steigung,
    118
    Steigung,
    119
    Spitze
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2016/141399 [0003]

Claims (14)

  1. Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat umfasst, wobei das Halbleitersubstrat einen wasserstoffhaltigen Bereich aufweist, der Wasserstoff enthält, wobei der wasserstoffhaltige Bereich einen Hochkonzentrationsbereich mit einer höheren Trägerkonzentration als einer virtuellen Trägerkonzentration, die basierend auf einer Konzentration des enthaltenen Wasserstoffs und einem Aktivierungsverhältnis von Wasserstoff bestimmt wird, aufweist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trägerkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich höher ist als eine Grunddotierungskonzentration in dem Halbleitersubstrat.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägerkonzentrationsverteilung in einer Tiefenrichtung des wasserstoffhaltigen Bereichs mehrere erste Spitzen aufweist, wobei der Hochkonzentrationsbereich in der Tiefenrichtung zwischen den ersten Spitzen angeordnet ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Hochkonzentrationsbereich zwischen der tiefsten ersten Spitze und der zweittiefsten ersten Spitze unter den ersten Spitzen angeordnet ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Trägerkonzentrationsverteilung des Hochkonzentrationsbereichs eine zweite Spitze in Tiefenrichtung aufweist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zweite Spitze in dem Hochkonzentrationsbereich eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite jeglicher der ersten Spitzen.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine chemische Wasserstoffkonzentrationsverteilung in dem wasserstoffhaltigen Bereich mehrere fünfte Spitzen aufweist, wobei eine Halbwertsbreite der zweiten Spitze größer ist als eine Hälfte eines Intervalls fünfter Spitzen zwischen der tiefsten fünften Spitze und der zweittiefsten fünften Spitze der fünften Spitzen.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die tiefste fünfte Spitze und die zweittiefste fünfte Spitze der fünften Spitzen in einem Bereich einer Halbwertsbreite der zweiten Spitze enthalten sind.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der wasserstoffhaltige Bereich einen Lebensdauersteuerbereich aufweist, der einen Einstellungsstörstoff zum Einstellen einer Lebensdauer eines Trägers enthält; wobei eine Konzentrationsverteilung des Einstellungsstörstoffs in Tiefenrichtung eine dritte Spitze aufweist, wobei der Hochkonzentrationsbereich an einer Position bereitgestellt ist, die tiefer als die dritte Spitze in der Konzentrationsverteilung des Einstellungsstörstoffes ist.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Halbwertsbreite der dritten Spitze größer ist als ein Intervall zwischen den mehreren ersten Spitzen in Tiefenrichtung.
  11. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Sauerstoffkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich 1 x 1017/cm3 oder mehr beträgt.
  12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Kohlenstoffkonzentration in dem Hochkonzentrationsbereich 1 x 1013/cm3 oder mehr beträgt.
  13. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Halbleitersubstrat umfasst : einen N-Typ-Driftbereich, einen N-Typ-Emitterbereich, der so bereitgestellt ist, dass er mit einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats in Kontakt steht und eine höhere Trägerkonzentration aufweist als diejenige in dem Driftbereich; einen P-Typ-Basisbereich, der zwischen dem Emitterbereich und dem Driftbereich bereitgestellt ist; einen P-Typ-Kollektorbereich, der so bereitgestellt ist, dass er mit einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats in Kontakt steht, und einen N-Typ-Pufferbereich, der zwischen dem Kollektorbereich und dem Driftbereich bereitgestellt ist und eine höhere Trägerkonzentration als diejenige in dem Driftbereich aufweist; wobei der wasserstoffhaltige Bereich in dem Pufferbereich enthalten ist.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Implantieren von Wasserstoff in dem Halbleitersubstrat, um einen wasserstoffhaltigen Bereich zu bilden; Bilden eines Lebensdauersteuerbereichs zum Einstellen einer Lebensdauer eines Trägers in dem wasserstoffhaltigen Bereich; und Durchführen einer Wärmebehandlung an dem Halbleitersubstrat, um in dem wasserstoffhaltigen Bereich einen Hochkonzentrationsbereich mit einer höheren Trägerkonzentration als einer virtuellen Trägerkonzentration, die basierend auf einer Konzentration der enthaltenen Störstoffe und einem Aktivierungsverhältnis der Störstoffe bestimmt wird, zu bilden.
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