JP2007123469A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 不純物を含む半導体領域を備えている半導体装置において、その半導体領域の格子定数の変動を抑える技術を提供する。
【解決手段】 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、ボロンを高濃度に含むコレクタ領域２９の第１部分２２と、ボロンとガリウムを合計で高濃度に含むコレクタ領域２９の第２部分２３と、リンを含むベース領域２４を順に備えている。第２部分２３には、シリコンの共有結合半径よりも小さい共有結合半径のボロンと、シリコンの共有結合半径よりも大きい共有結合半径のガリウムが混在していることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導電性不純物（アクセプタ又はドナーになる不純物をいう）を含む複数の半導体領域を備えている半導体装置と、その製造方法に関する。特に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子に関する。

一般的に、スイッチング素子として利用される半導体装置は、導電性不純物を含む複数の半導体領域によって構成されている。このため、半導体装置は、半導体領域と、その半導体領域とは導電性不純物の種類又は導電性不純物の濃度が異なる半導体領域が界面を形成するように接触する部分（以下、接触部分という）を備えている。例えば、ノンパンチスルー型のIGBTは、ボロンを高濃度に含むｐ^＋型のコレクタ領域と、リンを低濃度に含むｎ⁻型のベース領域の接触部分を備えている。コレクタ領域とベース領域の間にｎ^＋型のバッファ領域を備えたパンチスルー型のIGBTも知られている。この場合も同様に、コレクタ領域とバッファ領域の間に、導電性不純物の導電型が異なる接触部分が形成されている。あるいは、MOSFETの場合、ｎ型の導電性不純物を高濃度に含むｎ^＋型のドレイン領域と、ｎ型の導電性不純物を低濃度に含むｎ⁻型のドリフト領域を備えている。この場合には、ドレイン領域とドリフト領域の間に導電性不純物の濃度が異なる接触部分が形成されている。

例えば、シリコンを母材とするIGBTの場合、コレクタ領域にボロンが高濃度に導入されている。ボロンの共有結合半径は、母材であるシリコンの共有結合半径よりも小さい。このため、ボロンが高濃度に導入されたコレクタ領域の格子定数は、導電性不純物を含まないシリコンの格子定数よりも小さい値に変動する。一方、ベース領域（あるいはバッファ領域）の導電性不純物にはリンが用いられている。リンを含むベース領域（あるいはバッファ領域）の格子定数は、導電性不純物を含まないシリコンの格子定数からあまり変動しない。このため、コレクタ領域上にベース領域（あるいはバッファ領域）を形成すると、コレクタ領域とベース領域（あるいはバッファ領域）の間の格子不整合に基づいて格子歪みが増大し、ミスフィット転移が発生してしまう。
ボロンを高濃度に含む半導体領域とボロンを低濃度に含む半導体領域の間にも同種の問題が存在し、界面における格子不整合に基づいて、ミスフィット転移が発生してしまう。

特許文献１には、ボロンが高濃度に導入されたシリコン単結晶ウェハの表面に、ボロンが低濃度に導入されたシリコン単結晶をエピタキシャル成長するのに先立って、ボロンが高濃度に導入されたシリコン単結晶ウェハの表面にゲルマニウムを含むシリコン単結晶をエピタキシャル成長する技術が開示されている。ゲルマニウムの共有結合半径は、シリコンの共有結合半径よりも大きい。
この技術によると、ボロンが高濃度に導入されたシリコン単結晶ウェハの表面に、ゲルマニウムを含むシリコン単結晶を形成し、その後に熱拡散することによって、ゲルマニウムを含むシリコン単結晶にボロンが拡散し、ボロンを高濃度に含む半導体表面を得ることができる。必要に応じて、ゲルマニウムとボロンの両者を含むシリコン単結晶をエピタキシャル成長する実施例も開示されている。こうして得られる半導体表面には、格子定数を短くするボロンと、格子定数を長くするゲルマニウムが混在している。このため、ボロンによる格子定数の短縮分をゲルマニウムによる格子定数の拡張分によって補償することができる。両者の濃度を調整することによって、ボロンを高濃度に含む半導体表面の格子定数を、導電性不純物を含まないシリコン単結晶の格子定数に近づけることができる。ゲルマニウムを利用して格子定数が調整された半導体表面を形成することによって、その半導体表面上にボロンが低濃度に導入されたシリコン単結晶を形成する際に、界面に生じる格子不整合の程度を緩和することができる。
特開２００３−２０９０５９号公報

特許文献１の技術を利用すれば、ボロンが高濃度に導入された半導体領域の格子定数を導電性不純物を含まない半導体領域の格子定数に近づけることができ、それに隣接して形成する半導体領域（例えばボロンを低濃度に含む半導体領域、あるいはｎ型の不純物を含む半導体領域）との間の格子不整合の程度を緩和することができる。

半導体装置の特性を向上させるために、導電性不純物が導入されている半導体領域の界面近傍の局所的な領域における不純物濃度を、残部の不純物濃度よりも濃く調整したいことがある。例えばIGBTのコレクタ領域では、ベース領域（あるいはバッファ領域）との界面近傍において残部の不純物濃度よりも濃く調整することによって、オン電圧を減少させられる。このような局所的な領域を形成する場合でも、格子定数の変動を抑えることが重要である。このような要求に対して特許文献１の技術を利用する場合、界面近傍の局所的な領域にボロンをさらに高濃度に導入しなければならない。界面近傍においてボロンがさらに高濃度に導入されると、格子定数の短縮分もさらに大きくなる。このため、この格子定数の短縮分を補償するために、界面近傍の局所的な領域に対してゲルマニウムもさらに高濃度に導入しなければならない。

しかしながら、ボロンとゲルマニウムの質量は異なっており、半導体領域内における両者の拡散速度も異なっている。ボロンの拡散速度は、ゲルマニウムの拡散係数よりも大きい。このため、半導体領域の表面において、ボロンによる格子定数の短縮分がゲルマニウムによる格子定数の拡張分によって補償されるように両者の濃度を調整した場合、半導体領域の表面から深さ方向に観測したときに、半導体領域の深部ではボロンがゲルマニウムに対して過度に導入された状態が形成されてしまう。これにより、半導体領域内において格子定数の差が大きくなり、この部分からミスフィット転移が発生してしまう。半導体装置の特性を向上させるために半導体領域の界面近傍の局所的な領域にボロンを濃く導入する場合、特許文献１の技術では、ボロンとゲルマニウムの濃度差が大きくなる深さが発生し、格子定数の差がむしろ増大することもある。特許文献１の技術では、界面近傍を深さ方向に観察した場合、格子定数が大きく変動してしまう。

本発明では、半導体装置の特性を向上させるために半導体領域の界面近傍の局所的な領域における導電性不純物濃度を濃くする場合に、深さ方向において格子定数が滑らかに変動し、格子定数が大きく変動することを抑制する技術を提供する。
なお、前記した課題は、母材がシリコンであり、導電性不純物がボロンの場合にのみ生じるものではない。この種の課題は、母材の半導体材料の共有結合半径と導電性不純物の共有結合半径が異なる場合に、一般的に存在している。本発明の技術は、これらの母材の共有結合半径と導電性不純物の共有結合半径が異なる組合せに対して、広く利用することができる。

本発明は、母材の半導体材料の共有結合半径に対して、その共有結合半径よりも大きい共有結合半径を有する導電性不純物と、小さい共有結合半径を有する導電性不純物を共存させることによって、格子定数の変動を抑えることを特徴としている。さらに、共有結合半径が大きい導電性不純物と小さい導電性不純物が、同一導電型であることを特徴としている。共有結合半径が大きい導電性不純物と小さい導電性不純物は、それぞれが複数種類の導電性不純物の組合せであることもある。
本発明は、特許文献１のように、母材の半導体材料と同価の原子（従って非導電性の不純物）を利用して格子定数の変動を抑えるものではない。本発明は、導電性不純物と導電性不純物を利用して格子定数の変動を抑える点において、特許文献１の技術と大きく異なるものである。導電性不純物と導電性不純物を利用すれば、導電性不純物濃度を濃く調整する場合でも、個々の導電性不純物の濃度を極端に濃くすることなく、両者の合計の不純物濃度を濃くすることができる。また、本発明では、一方の導電性不純物を深さ方向に一様に分布させ、他方の導電性不純物を深さ方向に変化させる。これにより、ある深さにおいて、一方の導電性不純物による格子定数の短縮分を他方の導電性不純物による格子定数の拡張分によって補償されるように濃度調整すれば、残部の領域では格子定数の変動が緩やかになる。
本発明は、一方の導電性不純物を深さ方向において一様に分布させ、他方の導電性不純物を局所的に分布させることによって、不純物濃度が濃く調整された局所的な領域を得るとともに、格子定数の変動を緩やかにすることができる。

本発明の半導体装置は、第１半導体領域と、その第１半導体領域との間に界面を形成するように接している第２半導体領域を備えている半導体装置に具現化することができる。第１半導体領域には、前記界面から深さ方向に観測したときに、第１種類の第１導電型の導電性不純物が高濃度に一様に分布しており、第２種類の第１導電型の導電性不純物が前記界面近傍に局所的に分布している。第２半導体領域は、第１導電型の導電性不純物を低濃度に含むか、又は第２導電型の導電性不純物を含んでいる。第２半導体領域の第１導電型の導電性不純物は、第１種類の導電性不純物であることもあれば、それ以外の種類の導電性不純物のこともある。第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴としている。
本発明の第１半導体領域は、第１種類の第１導電型の導電性不純物のみが存在している第１部分と、第１種類と第２種類の第１導電型の導電性不純物が混在している第２部分に区分することができる。第２部分は、第１半導体領域の界面近傍の局所的領域に形成されている。
本発明の半導体装置は、第１半導体領域の第１部分と第２半導体領域の間に、第２部分が形成されていると観念することもできる。仮に、第２部分（第１種類と第２種類の導電性不純物が混在している部分）が形成されていないとすると、第１半導体領域の第１部分に含まれている第１種類の導電性不純物と、第２半導体領域に含まれている導電性不純物の種類又は導電性不純物の濃度が異なるので、両者の間に格子不整合に基づく格子歪みが増大し、ミスフィット転移が発生してしまう。
本発明の半導体装置では、第１半導体領域の第１部分と第２半導体領域の間に、第２部分が形成されている。第１半導体領域の第２部分では、第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物が混在している。このため、個々の導電性不純物の濃度を極端に濃くすることなく、両者の合計の不純物濃度を濃くすることができる。また、第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物が混在していることによって、一方の導電性不純物によって生じ得る格子定数の短縮分を、他方の導電性不純物によって生じ得る格子定数の拡張分によって補償することができる。第１半導体領域の第１部分と第２半導体領域の間に第１半導体領域の第２部分が形成されていることによって、第１半導体領域の第１部分から第２半導体領域への急峻な格子定数の変動を緩和することができ、格子不整合に基づく格子歪みの発生を抑えることができる。
また、第１種類の導電性不純物は、界面から深さ方向に観測したときに、第１半導体領域において一様に分布している。このため、第１半導体領域の第２部分の表面において、一方の導電性不純物による格子定数の短縮分を他方の導電性不純物による格子定数の拡張分によって補償されるように濃度調整すれば、第１半導体領域の第２部分における格子定数の変動は深さ方向に向けて緩やかになる。
本発明の半導体装置によれば、一方の導電性不純物を深さ方向において一様に分布させ、他方の導電性不純物を局所的に分布させることによって、不純物濃度が濃く調整された局所的な領域を得るとともに、急峻な格子定数の変動を緩和することができる。

半導体装置はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるのが好ましい。この場合、第１半導体領域は第１導電型の導電性不純物を含むコレクタ領域であり、第２半導体領域は第２導電型の不純物を含むベース領域である。
本発明によれば、コレクタ領域の界面近傍に、第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物が混在している領域が形成されている。これにより、コレクタ領域とベース領域の間の格子不整合に基づく格子歪みが低減されており、優れた特性を有するIGBTを得ることができる。
さらに、コレクタ領域の界面近傍に形成されている領域では、第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物の合計の不純物濃度が、コレクタ領域の第１種類の不純物濃度よりも濃い。このため、前記領域からのキャリアの供給が増大し、オン電圧を低減することができる。

コレクタ領域とベース領域の間に、第２導電型の不純物を含むバッファ領域をさらに備えていてもよい。そのバッファ領域の不純物濃度は、ベース領域の不純物濃度よりも濃いことを特徴としている。
この態様はパンチスルー型のIGBTである。本発明は、パンチスルー型のIGBTにも有用である。ただし、本発明の有用性はパンチスルー型のIGBTに限られておらず、ノンパンチスルー型のIGBTの場合にも有用である。

上記半導体装置の半導体材料にはシリコンを用いることができる。この場合、第１種類の導電性不純物にはボロンが用いられており、第２種類の導電性不純物にはガリウム、アルミニウム、又はインジウムの少なくとも１つが用いられていることが好ましい。
半導体装置において一般的に利用される半導体材料と不純物の組合せに対して、本発明を利用することができる。

本発明で創作された半導体装置の製造方法は、第１種類の第１導電型の導電性不純物が高濃度に深さ方向に一様に分布している第１半導体領域の表面部に、第２種類の第１導電型の導電性不純物を導入する工程を備えている。さらに、本発明の製造方法は、その第１半導体領域の表面から結晶成長し、第１導電型の導電性不純物を低濃度に含むか、又は第２導電型の導電性不純物を含む第２半導体領域を形成する工程を備えている。第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴としている。
本製造方法によれば、第１半導体領域の界面近傍に、第１種類の第１導電型の導電性不純物と第２種類の第１導電型の導電性不純物が混在する領域を形成することによって、第１半導体領域から第２半導体領域への急峻な格子定数の変動が緩和された状態を得ることができる。

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の製造方法に具現化することができる。本発明の製造方法は、第１種類の第１導電型の導電性不純物が高濃度に深さ方向に一様に分布しているコレクタ領域の表面部に、第２種類の第１導電型の導電性不純物を導入する工程を備えている。本発明の製造方法は、そのコレクタ領域の表面から結晶成長し、第２導電型の導電性不純物を含むベース領域を形成する工程を備えている。第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴としている。
本発明の製造方法によれば、コレクタ領域の界面近傍に、第１種類の第１導電型の導電性不純物と第２種類の第１導電型の導電性不純物が混在する領域を形成することによって、コレクタ領域からベース領域への急峻な格子定数の変動が緩和された状態を得ることができる。

ベース領域を形成する工程に先立って、コレクタ領域とベース領域の間に第２導電型の導電性不純物を含むバッファ領域を結晶成長する工程をさらに備えていてもよい。この場合、そのバッファ領域の不純物濃度は、ベース領域の不純物濃度よりも濃いことを特徴としている。
この製造方法を利用すると、パンチスルー型のIGBTを得ることができる。

上記の製造方法で用いられる半導体材料にはシリコンを用いることができる。この場合、第１種類の導電性不純物にはボロンが用いられており、第２種類の導電性不純物にはガリウム、アルミニウム、又はインジウムの少なくとも１つが用いられていることが好ましい。
半導体装置において一般的に利用される半導体材料と導電性不純物の組合せに対して、本発明の製造方法を利用することができる。

本発明は、母材の半導体材料の共有結合半径に対して、その共有結合半径よりも大きな共有結合半径を有する導電性不純物と、小さな共有結合半径を有する導電性不純物を共存させることによって、格子定数の変動を抑えることができる。本発明は、導電型を等しくする２種類以上の導電性不純物を利用することによって、格子定数の変動を抑えることができる。

下記に説明する実施例の主要な特徴を記載する。
（第１形態）
パンチスルー型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、
コレクタ電極と、
そのコレクタ電極上に形成されており、第１導電型の導電性不純物を含むコレクタ領域と、
そのコレクタ領域上に形成されており、第２導電型の導電性不純物を高濃度に含むバッファ領域と、
そのバッファ領域上に形成されており、第２導電型の導電性不純物を低濃度に含むベース領域と、
そのベース領域上に形成されており、第１導電型の導電性不純物を含むボディ領域と、
そのボディ領域によってベース領域から隔てられており、第２導電型の導電性不純物を高濃度に含むエミッタ領域と、
ベース領域とエミッタ領域の間に存在する部分のボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、
エミッタ領域に接するエミッタ電極を備えており、
前記コレクタ領域には、前記バッファ領域との界面から深さ方向に観測したときに、第１種類の第１導電型の導電性不純物が一様に分布しており、第２種類の第１導電型の導電性不純物がその界面近傍において局所的に分布しており、
第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴とするIGBT。
（第２形態）
ノンパンチスルー型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、
コレクタ電極と、
そのコレクタ電極上に形成されており、第１導電型の導電性不純物を含むコレクタ領域と、
そのコレクタ領域上に形成されており、第２導電型の導電性不純物を低濃度に含むベース領域と、
そのベース領域上に形成されており、第１導電型の導電性不純物を含むボディ領域と、
そのボディ領域によってベース領域から隔てられており、第２導電型の導電性不純物を高濃度に含むエミッタ領域と、
ベース領域とエミッタ領域の間に存在する部分のボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、
エミッタ領域に接するエミッタ電極を備えており、
前記コレクタ領域には、前記ベース領域との界面から深さ方向に観測したときに、第１種類の第１導電型の導電性不純物が一様に分布しており、第２種類の第１導電型の導電性不純物がその界面近傍において局所的に分布しており、
第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴とするIGBT。
（第３形態）
MOSFETであり、
ドレイン電極と、
そのドレイン電極上に形成されており、第１導電型の導電性不純物を高濃度に含むドレイン領域と、
そのドレイン領域上に形成されており、第１導電型の導電性不純物を低濃度に含むドリフト領域と、
そのドリフト領域上に形成されており、第２導電型の導電性不純物を含むボディ領域と、
そのボディ領域によってドリフト領域から隔てられており、第１導電型の導電性不純物を高濃度に含むソース領域と、
ドリフト領域とソース領域の間に存在する部分のボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、
ソース領域に接するソース電極を備えており、
前記ドレイン領域には、前記ドリフト領域との界面から深さ方向に観測したときに、第１種類の第１導電型の導電性不純物が一様に分布しており、第２種類の第１導電型の導電性不純物がその界面近傍において局所的に分布しており、
第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴とするMOSFET。

（第１実施例）
図１に、半導体装置１０の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１０は、ノンパンチスルー型のIGBTである。半導体装置１０の半導体材料には、シリコン単結晶が用いられている。
半導体装置１０は、裏面側から順に、コレクタ電極２１と、ｐ^＋型の第１部分２２とｐ^＋＋型の第２部分２３を有するコレクタ領域２９（第１半導体領域の一例）と、ｎ^＋型のバッファ領域２４と、ｎ⁻型のベース領域２５（第２半導体領域の一例）と、ｐ⁻型のボディ領域２６を備えている。ｐ⁻型のボディ領域２６の表面部には、ｎ^＋型のエミッタ領域２７とｐ^＋型のボディコンタクト領域２８が選択的に形成されている。ベース領域２５とエミッタ領域２７は、ボディ領域２６によって隔てられている。ベース領域２５とエミッタ領域２７の間に存在する部分のボディ領域２６に、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４が対向している。ゲート電極３４はトレンチタイプであり、ボディ領域２６を貫通してベース領域２５にまで達している。半導体装置１０の表面に、エミッタ電極３２が形成されている。エミッタ領域２７及びボディコンタクト領域２８は、エミッタ電極３２に電気的に接続されている。

コレクタ領域２９の第１部分２２の導電性不純物には、ボロン（アクセプタである）が利用されている。コレクタ領域２９の第２部分２３の導電性不純物には、ボロンとガリウム（いずれもアクセプタである）が利用されている。バッファ領域２４及びベース領域２５の導電性不純物には、リン（ドナーである）が利用されている。ボディ領域２６及びボディコンタクト領域２８の導電性不純物には、ボロン（アクセプタである）が利用されている。エミッタ領域２７の導電性不純物には、砒素（ドナーである）が利用されている。

次に、半導体装置１０の特徴を説明する。
半導体装置１０は、一般的なパンチスルー型のIGBTと比較して、コレクタ領域２９のうちのバッファ領域２４との界面近傍の局所的な領域に、第２部分２３を備えている点に特徴がある。コレクタ領域２９の第２部分２３は、後述するように、コレクタ領域２９の局所的な領域に、ガリウムをイオン注入することによって形成することができる。第２部分２３は、コレクタ領域２９とバッファ領域２４の界面の全体に形成されており、コレクタ領域２３の深さ方向の厚みは概ね０．１〜１０μｍである。

半導体装置１０は、コレクタ領域２９の第１部分２２とバッファ領域２４の間に、コレクタ領域２９の第２部分２３が形成されていると観念することもできる。仮に、第２部分２３が形成されていないとすると、コレクタ領域２９の第１部分２２とバッファ領域２４は直接的に接触している。コレクタ領域２９の第１部分２２に不純物として含まれているボロンの共有結合半径は、シリコンの共有結合半径よりも小さい。具体的には、ボロンの共有結合半径は０．８０Åであるのに対し、シリコンの共有結合半径は１．１７Åである。このため、ボロンが高濃度に導入されたコレクタ領域２９の第１部分２２の格子定数は、不純物を含まないシリコン単結晶の格子定数から大きく短縮する。一方、バッファ領域２４に含まれているリンの共有結合半径は１．０６Åであり、シリコンの共有結合半径に近い大きさである。このため、リンが導入されているバッファ領域２４の格子定数は、シリコン単結晶の格子定数に近い値になる。したがって、コレクタ領域２９の第１部分２２上にバッファ領域２４を積層すると、両者間の格子不整合に基づいて格子歪みが増大し、ひいてはミスフィット転移が発生してしまう。

図２に、コレクタ領域２９の第１部分２２に導入されるボロン濃度と、コレクタ領域２９の第１部分２２の格子歪み率の関係を示す。図２に示す結果は、第２部分２３が形成されていない場合の結果である。この比較例では、バッファ領域２４のリンの不純物濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３であり、バッファ領域２４の厚みが１５μｍを想定している。ただし、バッファ領域２４のリンの不純物濃度及びバッファ領域２４の厚みを変えても、ほぼ同様の結果が得られる。特に、ボロン濃度がリン濃度に比べ１桁高い値で導入されていれば、リンによる格子変動は無視できるので、ほぼ同様の結果が得られる。
図２に示すように、コレクタ領域２９の第１部分２２に導入されるボロンの濃度が増加すると、コレクタ領域２９の第１部分２２の格子歪み率も増加する。一般的に、パンチスルー型のIGBTのコレクタ領域の不純物濃度は、１×１０^１８［ｃｍ^−３］〜１×１０^１９［ｃｍ^−３］の範囲にすることが多い。図２に示すように、コレクタ領域２９の第１部分２２が上記濃度範囲の場合、第１部分２２には６×１０^−６〜６×１０^−５［a.u.］の格子の歪みが発生してしまう。

半導体装置１０では、コレクタ領域２９の第１部分２２とバッファ領域２４の間に、第２部分２３が形成されている。第２部分２３には、ボロンとガリウムが含有している。ガリウムの共有結合半径は１．２５Åであり、シリコンの共有結合半径よりも大きい。なお、ガリウムに代えて、アルミニウム（１．２５Å）、インジウム（１．５０Å）を利用してもよい。第２部分２３には、シリコンの共有結合半径に対して、その共有結合半径よりも小さい共有結合半径を有するボロンと、大きい共有結合半径を有するガリウムが混在している。これにより、ボロンによって生じ得る格子定数の短縮分を、ガリウムによって生じ得る格子定数の拡張分によって補償することができる。コレクタ領域２９の第１部分２２とバッファ領域２４の間に、第２部分２３が形成されていることによって、第１部分２２からバッファ領域２４への急峻な格子定数の変動を緩和することができ、格子不整合に基づく格子歪みの発生を抑えることができる。

図３に、コレクタ領域２９の第２部分２３に導入するガリウムと、第２部分２３の格子歪み率の関係を示す。図３の結果は、第２部分２３のボロンの不純物濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３であり、バッファ領域２４のリンの不純物濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３であり、バッファ領域２４の厚みが１５μｍの場合である。ただし、バッファ領域２４のリンの不純物濃度及びバッファ領域２４の厚みを変えても、ほぼ同様の結果が得られる。
図３に示すように、コレクタ領域２９の第２部分２３に含まれるガリウムの濃度が増加すると、第２部分２３の格子歪み率が低下する。ただし、ガリウムの濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３を超えると、ガリウムが過剰な状態になり、バッファ領域２４に加わる応力が圧縮応力から膨張応力に変化し、第２部分２３の格子歪み率が負に増加する。
図３に示すように、第２部分２３に含まれるガリウムの濃度を２×１０^１９ｃｍ^−３〜３×１０^１９ｃｍ^−３の範囲に調整すると、初期状態（ボロンのみが導入されている状態）の格子歪み率に対して１桁以上の低減効果を得ることができる。
半導体装置１０によれば、コレクタ領域２９の第１部分２２とバッファ領域２４の間に、第２部分２３が形成されていることによって、コレクタ領域２９の第１部分２２とバッファ領域２４の間の格子不整合に基づく格子歪みが低減され、優れた特性を有するIGBTを得ることができる。

また、後述の製造方法で説明するように、コレクタ領域２９の第２部分２３は、コレクタ領域２９の表面部に、ガリウムをイオン注入することによって形成することができる。このため、コレクタ領域２９の第１部分２２と第２部分２３の不純物濃度分布の様子は異なっている。
図４（ａ）に、コレクタ領域２９の第１部分２２と第２部分２３の不純物濃度分布を示す。図４（ａ）は、コレクタ領域２９とバッファ層２４の界面から深さ方向に観測したときの不純物濃度分布である。縦軸の符号は、半導体装置１０の各半導体領域に対応している。
図４（ａ）に示すように、コレクタ領域２９には、ボロン（Ｂ）とガリウム（Ｇａ）が混在している。ボロン（Ｂ）は、コレクタ領域２９内を深さ方向に一様に分布している。ガリウム（Ｇａ）は、コレクタ領域２９とバッファ領域２４の界面近傍において局所的に分布している。また、ガリウム（Ｇａ）は、コレクタ領域２９の深部から界面に近づくにつれて濃度が濃くなっている。ボロン（Ｂ）のみが存在している部分が第１部分２２であり、ボロン（Ｂ）とガリウム（Ｇａ）が混在している部分が第２部分２３である。このため、第２部分２３の実質的な導電性不純物濃度は、一様に分布しているボロン（Ｂ）の濃度に、ガリウム（Ｇａ）の濃度を加えた大きさに調整される。したがって、図４（ｂ）に示すように、半導体装置１０のキャリア濃度は、コレクタ領域２９の表面部の局所的な領域において濃く調整される。
キャリア濃度が濃く調整された第２部分２３が設けられていることによって、第２部分２３からのホールの供給が増大し、半導体装置１０のオン電圧を低減することができる。なお、コレクタ領域２９の全体のキャリア濃度が濃いと、飽和電流値が上昇し、耐量が低下するという問題がある。したがって、半導体装置１０では、コレクタ領域２９の全体の不純物濃度を適値に維持しながらも、界面近傍の局所的な領域に第２部分２３を形成することによって、耐量の低下を回避しながらも、オン電圧を低減することができる。

図４（ｃ）に、各半導体領域における格子定数の大きさを示す。図４（ｄ）に、各半導体領域における格子歪みの大きさを示す。図中の１０の実線は、半導体装置１０の結果であり、図中の１２の破線は、ガリウムが混在していない場合（即ち、第２部分２３の領域にも第１部分２２が形成されている場合）の比較例の結果である。
図４（ｃ）に示すように、比較例１２では、コレクタ領域とバッファ領域の間の格子定数の差が大きく、両者が接触しているために、格子定数の変動が急峻である。このため、図４（ｄ）に示すように、比較例１２では、コレクタ領域とバッファ領域の間に、大きな格子歪みが発生している。
一方、図４（ｃ）に示すように、半導体装置１０では、第２部分２３が設けられていることによって、コレクタ領域２９の第１部分２２からバッファ領域２４への急峻な格子定数の変動を緩和することができる。半導体装置１０では、コレクタ領域２９とバッファ領域２４の界面から深さ方向に観測したときに、ボロンがコレクタ領域２９内において一様に分布している。ガリウムは、コレクタ領域２９とバッファ領域２４の界面においてボロンによる格子定数の短縮分を補償できるように濃度調整されている。ガリウムは、コレクタ領域２９とバッファ領域２４の界面から深さ方向に向けて濃度が減少している。これにより、第２部分２３の格子定数は、バッファ領域２４の界面においてバッファ領域２４に一致し、その界面から深さ方向に向けて緩やかに変動する。格子定数の変動が緩やかになることによって、図４（ｄ）に示すように、比較例１２の場合に比して、発生する格子歪みの大きさを低減することができる。

（半導体装置１０の製造方法）
図５〜７を参照して、半導体装置１０の主要な製造工程を説明する。
まず、図５に示すように、ボロンが高濃度に導入されたコレクタ領域２９を準備する。コレクタ領域２９内のボロンは、深さ方向に一様に分布している。次に、イオン注入技術を利用して、コレクタ領域２９の表面に向けてガリウムイオン４２を注入する。ガリウムイオン４２は、コレクタ領域２９の表面近傍の局所的な領域に導入される。
図６に示すように、熱拡散処理を実施すると、コレクタ領域２９の表面近傍の局所的な領域に第２部分２３が形成され、残部は第１部分２２になる。第２部分２３にはボロンとガリウムが混在している。したがって、ボロンによって生じ得る格子定数の短縮分を、ガリウムによって生じ得る格子定数の拡張分によって補償することができ、第２部分２３の格子定数はシリコン単結晶の格子定数に近い値になっている。

次に、図７に示すように、エピタキシャル成長技術を利用して、コレクタ領域２９の第２部分２３の表面に、バッファ領域２４及びベース領域２５を形成する。このとき、コレクタ領域２９の第２部分２３とバッファ領域２４の間の格子不整合は小さいので、両者間の格子歪みは小さい値に維持される。したがって、コレクタ領域２９の第２部分２３の表面にバッファ領域２４及びベース領域２５を形成したとしても、ミスフィット転移の発生は顕著に抑制される。
この後の表面構造の製造方法は、既知の製造方法を利用すればよい。簡単に説明すると、イオン注入技術及び熱拡散処理を利用して、ベース領域２５の表面部にボディ領域２５を形成し、そのボディ領域２６の表面部にエミッタ領域２７及びボディコンタクト領域２８を選択的に形成する。さらに、エッチング技術を利用して、エミッタ領域２７の表面からボディ領域２５にまで達するトレンチを形成した後に、そのトレンチの側壁をゲート絶縁膜で被覆し、その内部にポリシリコンのゲート電極を形成する。次に、エミッタ領域２７及びボディコンタクト領域２８に電気的に接続されるエミッタ電極３２を形成し、コレクタ領域２９の第１部分２２の裏面にコレクタ電極２１を形成する。これらの工程を経て、図１に示す半導体装置１０を得ることができる。

（第２実施例）
図８に、半導体装置１００の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１００は、ノンパンチスルー型のIGBTである。半導体装置１００の半導体材料には、シリコン単結晶が用いられている。
半導体装置１００は、裏面側から順に、コレクタ電極１２１と、ｐ^＋型の第１部分２２とｐ^＋＋型の第２部分１２３を有するコレクタ領域１２２（第１半導体領域の一例）と、ｎ⁻型のベース領域１２５（第２半導体領域の一例）と、ｐ⁻型のボディ領域１２６を備えている。ｐ⁻型のボディ領域１２６の表面部には、ｎ^＋型のエミッタ領域１２７とｐ^＋型のボディコンタクト領域１２８が選択的に形成されている。ベース領域１２５とエミッタ領域１２７は、ボディ領域１２６によって隔てられている。ベース領域１２５とエミッタ領域１２７の間に存在する部分のボディ領域１２６に、ゲート絶縁膜１３３を介してゲート電極１３４が対向している。ゲート電極１３４はトレンチタイプであり、ボディ領域１２６を貫通してベース領域１２５にまで達している。半導体装置１００の表面にエミッタ電極１３２が形成されている。エミッタ領域１２７及びボディコンタクト領域１２８は、エミッタ電極１３２に電気的に接続されている。
ノンパンチスルー型のIGBTでは、ベース領域１２５とボディ領域１２５の界面からベース領域１２５内に向けて伸びる空乏層が、コレクタ領域１２９にまで達するのを防止するために、ベース領域１２５の厚みが大きく形成されている。一方、コレクタ領域１２９の厚みは薄く形成されていることが多い。

コレクタ領域１２９の第１部分１２２の導電性不純物には、ボロン（アクセプタである）が利用されている。コレクタ領域１２９の第２部分１２３の導電性不純物には、ボロンとアルミニウム（いずれもアクセプタである）が利用されている。ベース領域１２５の導電性不純物には、リン（ドナーである）が利用されている。ボディ領域１２６及びボディコンタクト領域１２８の導電性不純物には、ボロン（アクセプタである）が利用されている。エミッタ領域１２７の導電性不純物には、砒素（ドナーである）が利用されている。

半導体装置１００の場合も実施例１の半導体装置１０の場合と同様に、コレクタ領域１２９の第１部分１２２とベース領域１２５の間に、第２部分１２３が設けられていることによって、コレクタ領域１２９の第１部分１２２からベース領域１２５の間に生じる格子定数の変動を緩和することができ、格子不整合に基づく格子歪みの発生を抑えることができる。
また、不純物濃度が濃く調整された第２部分１２３が設けられていることによって、第２部分１２３からのホールの供給が増大し、半導体装置１００のオン電圧を低減することができる。

（半導体装置１００の製造方法）
図９及び１０を参照して、半導体装置１００の主要な製造工程を説明する。
まず、図９に示すように、ｎ⁻型の半導体基板の表面部に表面構造を作り込む。表面構造の製造方法は、既知の製造方法を利用すればよい。具体的には、第１実施例の半導体装置１０の製造方法を採用することができる。
次に、イオン注入技術を利用して、ｎ⁻型の半導体基板の裏面からボロンイオン１４４及びアルミニウムイオン１４６を注入する。このとき、ボロンイオン１４４を低エネルギーで注入し、アルミニウムイオン１４６を高エネルギーで注入する。これにより、ベース領域１２５の裏面から浅い位置にボロンイオン１４４のみが存在する領域が形成され、ベース領域１２５の裏面から深い位置にボロンイオン１４４とアルミニウムイオン１４６が混在する領域が形成される。

次に図１０に示すように、熱拡散処理を実施すると、ｎ⁻型の半導体基板の裏面部に、第１部分１２２と第２部分１２３の組合せのコレクタ領域１２９が形成される。第２部分１２３にはボロンとアルミニウムが混在している。したがって、ボロンによって生じ得る格子定数の短縮分を、アルミニウムによって生じ得る格子定数の拡張分によって補償することができ、第２部分１２３の格子定数はシリコン単結晶の格子定数に近い値になっている。ｎ⁻型の半導体基板の中間部は、ｎ⁻型のベース領域１２５として残る。
一般的なノンパチンスルー型のIGBTでは、イオン注入及び熱拡散処理を実施して、ボロンを高濃度に含むコレクタ領域１２９を形成すると、コレクタ領域１２９とベース領域１２５の間の格子不整合に基づく格子歪みが増大し、クラック等の原因となることが多い。一方、本実施例の製造方法を採用すると、コレクタ領域１２９の第１部分１２２とベース領域１２５の間に第２部分１２３が形成されるので、コレクタ領域１２９の第１部分１２２とベース領域１２５の間の格子不整合が低減され、クラック等の発生が抑制される。
なお、上記の製造方法に代えて、第１実施例の製造方法のように、コレクタ領域となる基板を準備し、その表面部にアルミニウムをイオン注入して第２部分１２３を形成してもよい。その後に、その半導体領域の表面からベース領域１２５を結晶成長し、半導体装置１００を得ることもできる。

（第３実施例）
図１１に、半導体装置２００の要部断面図を模式的に示す。半導体装置２００は、MOSFETである。半導体装置２００の半導体材料には、シリコン単結晶が用いられている。
半導体装置２００は、裏面側から順に、ドレイン電極２２１と、ｎ^＋型の第１部分２２２とｎ^＋＋型の第２部分２２３を有するドレイン領域２２９（第１半導体領域の一例）と、ｎ⁻型のドリフト領域２２５（第２半導体領域の一例）と、ｐ⁻型のボディ領域２２６を備えている。ボディ領域２２６の表面部には、ｎ^＋型のソース領域２２７とｐ^＋型のボディコンタクト領域２２８が選択的に形成されている。ドリフト領域２２５とソース領域２２７は、ボディ領域２２６によって隔てられている。ドリフト領域２２５とソース領域２２７の間に存在する部分のボディ領域２２６に、ゲート絶縁膜２３３を介してゲート電極２３４が対向している。ゲート電極２３４はトレンチタイプであり、ボディ領域２２６を貫通してドリフト領域２２５にまで達している。半導体装置２００の表面にソース電極２３２が形成されている。ソース領域２２７及びボディコンタクト領域２２８は、ソース電極２３２に電気的に接続されている。

ドレイン領域２２９の第１部分２２２の導電性不純物には、砒素が利用されている。ドレイン領域２２９の第２部分２２３の導電性不純物には、砒素とリンが利用されている。ドリフト領域２２５の導電性不純物には、リンが利用されている。ボディ領域２２６及びボディコンタクト領域２２８の導電性不純物には、ボロンが利用されている。ソース領域２２７の導電性不純物には、砒素が利用されている。

半導体装置２００は、ドレイン領域２２９の第１部分２２２とドリフト領域２２４の間に、第２部分２２３が形成されていると観念することもできる。仮に、第２部分２２３が形成されていないとすると、ドレイン領域２２９の第１部分２２２とドリフト領域２２４は直接的に接触している。ドレイン領域２２９の第１部分２２２に不純物として含まれている砒素の共有結合半径は、シリコンの共有結合半径よりも大きい。具体的には、砒素の共有結合半径は１．２１Åであるのに対し、シリコンの共有結合半径は１．１７Åである。このため、砒素が高濃度に導入されたドレイン領域２２９の第１部分２２２の格子定数は、不純物を含まないシリコン単結晶の格子定数（共有結合半径）から増大する。
ドレイン領域２２９の第２部分２２３には、砒素とリンが含有している。リンの共有結合半径は１．１０Åであり、シリコンの共有結合半径よりも小さい。したがって、第２部分２２３には、シリコンの共有結合半径に対して、その共有結合半径よりも大きい共有結合半径を有する砒素と、小さい共有結合半径を有するリンが混在している。これにより、砒素によって生じ得る格子定数の拡張分を、リンによって生じ得る格子定数の短縮分によって補償することができる。ドレイン領域２２９の第１部分２２２とドリフト領域２２５の間に、第２部分２２３が形成されていることによって、ドレイン領域２２９の第１部分２２２からドリフト領域２２５への急峻な格子定数の変動を緩和することができ、格子不整合に基づく格子歪みの発生を抑えることができる。

なお、半導体装置２００は、第１実施例の製造方法のように、ドレイン領域２２９となる基板を準備し、その表面部にリンをイオン注入して第２部分２２３を形成する方法を採用することができる。その半導体基板の表面からドリフト領域２２５を結晶成長し、さらに表面構造を作り込むことによって、半導体装置２００を得ることができる。
また、本技術思想は、ｐチャネル型のMOSFETにも適用できる。この場合、ドレイン領域の導電性不純物にボロンが利用されており、第２部分の導電性不純物にボロンとガリウムが利用される。同様な作用効果を得ることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記の各実施例ではトレンチタイプのゲート電極を例に挙げたが、その例に代えて、プレーナータイプのゲート電極や、その他のゲート電極構造であってもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 ボロン濃度と格子歪み率の関係を示す。 ガリウム濃度と格子歪み率の関係を示す。 （ａ）各半導体領域の不純物濃度分布を示す。（ｂ）各半導体領域のキャリア濃度分布を示す。（ｃ）各半導体領域の格子定数の変動を示す。（ｄ）各半導体領域の格子歪みを示す。 第１実施例の半導体装置の製造工程を示す（１）。 第１実施例の半導体装置の製造工程を示す（２）。 第１実施例の半導体装置の製造工程を示す（３）。 第２実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 第２実施例の半導体装置の製造工程を示す（１）。 第２実施例の半導体装置の製造工程を示す（２）。 第３実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

符号の説明

２１、１２１：コレクタ電極
２２、１２２、２２２：第１部分
２３、１２３、２２３：第２部分
２４：バッファ領域
２５、１２５：ベース領域
２６、１２６：ボディ領域
２７、１２７：エミッタ領域
２８、１２８：ボディコンタクト領域
２９、１２９：コレクタ領域
３２、１３２：エミッタ電極
３３、１３３：ゲート絶縁膜
３４、１３４：ゲート電極
２２１：ドレイン電極
２２５：ドリフト領域
２２６：ボディ領域
２２７：ソース領域
２２８：ボディコンタクト領域
２２９：ドレイン領域
２３２：ソース電極
２３３：ゲート絶縁膜
２３４：ゲート電極

Claims (8)

1. 第１半導体領域と、その第１半導体領域との間に界面を形成するように接している第２半導体領域を備えている半導体装置であり、
   その第１半導体領域には、前記界面から深さ方向に観測したときに、第１種類の第１導電型の導電性不純物が高濃度に一様に分布しており、第２種類の第１導電型の導電性不純物が前記界面近傍に局所的に分布しており、
   その第２半導体領域は、第１導電型の導電性不純物を低濃度に含むか、又は第２導電型の導電性不純物を含んでおり、
   第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
2. 半導体装置はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、
   第１半導体領域は第１導電型の導電性不純物を含むコレクタ領域であり、
   第２半導体領域は第２導電型の導電性不純物を含むベース領域であることを特徴とする請求項１の半導体装置。
3. コレクタ領域とベース領域の間に、第２導電型の導電性不純物を含むバッファ領域をさらに備えており、
   そのバッファ領域の不純物濃度は、ベース領域の不純物濃度よりも濃いことを特徴とする請求項２の半導体装置。
4. 半導体材料にはシリコンが用いられており、
   第１種類の導電性不純物にはボロンが用いられており、
   第２種類の導電性不純物にはガリウム、アルミニウム、又はインジウムの少なくとも１つが用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの半導体装置。
5. 半導体装置の製造方法であり、
   第１種類の第１導電型の導電性不純物が高濃度に深さ方向に一様に分布している第１半導体領域の表面部に、第２種類の第１導電型の導電性不純物を導入する工程と、
   その第１半導体領域の表面から結晶成長し、第１導電型の導電性不純物を低濃度に含むか、又は第２導電型の導電性不純物を含む第２半導体領域を形成する工程を備えており、
   第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が各半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の製造方法であり、
   第１種類の第１導電型の導電性不純物が高濃度に深さ方向に一様に分布しているコレクタ領域の表面部に、第２種類の第１導電型の導電性不純物を導入する工程と、
   そのコレクタ領域の表面から結晶成長し、第２導電型の導電性不純物を含むベース領域を形成する工程を備えており、
   第１種類の導電性不純物と第２種類の導電性不純物は、一方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも小さく、他方の導電性不純物が半導体領域を構成する半導体材料の共有結合半径よりも大きいことを特徴とするIGBTの製造方法。
7. ベース領域を形成する工程に先立って、コレクタ領域とベース領域の間に第２導電型の導電性不純物を含むバッファ領域を結晶成長する工程をさらに備えており、
   そのバッファ領域の不純物濃度は、ベース領域の不純物濃度よりも濃いことを特徴とする請求項６の製造方法。
8. 半導体材料にはシリコンが用いられており、
   第１種類の導電性不純物にはボロンが用いられており、
   第２種類の導電性不純物にはガリウム、アルミニウム、又はインジウムの少なくとも１つが用いられていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかの製造方法。

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