JP2016111174A - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】逆漏れ電流の低減と高い良品率の維持とをバランスよく実現できる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを提供する。
【解決手段】絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、第１導電型のドリフト領域１１の上面に選択的に設けられた複数の第２導電型のストライプ状のベース領域２ａ〜２ｄと、このベース領域２ａ〜２ｄのそれぞれの内部に選択的に設けられた第１導電型のエミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒと、エミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒからベース領域２ａ〜２ｄの端部に至るベース領域２ａ〜２ｄの表面にそれぞれ設けられたゲート電極５ａ〜５ｅと、ドリフト領域１の下面に設けられた第２導電型のコレクタ領域１０と、ドリフト領域１の内部のコレクタ領域１０の側に、複数のベース領域２ａ〜２ｄの配置に対応して設けられた複数のライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ及びその製造方法に関する。

電力変換装置などに用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」と称する。）では、特許文献１に示すように、ｎ型のドリフト領域の下部にヘリウムイオンを注入してライフタイムキラーを導入し、ダイオード動作時の逆回復ピーク電流（逆漏れ電流）を小さくする方法が行われている。
しかし特許文献１の逆阻止ＩＧＢＴのように、活性領域中のドリフト領域の下部全面にヘリウムイオンを注入すると、逆漏れ電流を低減させた製品が得られる一方で、イオンの全面注入によりドリフト領域とコレクタ領域との間のｐｎ接合界面に生じる損傷面積が大きくなって、実際には逆漏れ電流を低減できない製品も発生する。そのため、ＩＧＢＴを大量生産する場合、製品全体の良品率が低下するという問題がある。

特開２００２−０７６０１７号公報

本発明は上記の問題に着目して為されたものであって、逆漏れ電流の低減と高い良品率の維持とをバランスよく達成できる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのある態様は、第１導電型のドリフト領域の上面に選択的に設けられた複数の第２導電型のストライプ状のベース領域と、このベース領域のそれぞれの内部に選択的に設けられた第１導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域からベース領域の端部に至るベース領域の表面にそれぞれ設けられたゲート電極と、ドリフト領域の下面に設けられた第２導電型のコレクタ領域と、ドリフト領域の内部のコレクタ領域側に、複数のベース領域の配置に対応して設けられた複数のライフタイム制御領域と、を備えることを要旨とする。

また本発明に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法のある態様は、（Ｉ）第１導電型の半導体基板の表面に複数の第２導電型のストライプ状のベース領域を選択的に形成する工程と、（ＩＩ）複数のベース領域の表面にゲート酸化膜を介してそれぞれゲート電極を形成する工程と、（ＩＩＩ）複数のベース領域のそれぞれの一部に第１導電型のエミッタ領域をそれぞれ形成する工程と、（ＩＶ）半導体基板の裏面に第２導電型のコレクタ領域を形成し、ベース領域とコレクタ領域に挟まれた半導体基板の領域をドリフト領域とする工程と、（Ｖ）選択的な荷電粒子の注入によって、ドリフト領域の内部のコレクタ領域側であって複数のベース領域の配置に対応した領域に、それぞれライフタイム制御領域を選択的に形成する工程と、を含むことを要旨とする。

従って本発明に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタによれば、逆漏れ電流の低減と高い良品率の維持とをバランスよく達成できる。

本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴを模式的に説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴのライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄを模式的に説明する部分断面図である。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法を説明する断面図である（その１）。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法を説明する断面図である（その２）。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法を説明する断面図である（その３）。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法を説明する断面図である（その４）。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法を説明する断面図である（その５）。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴに照射するヘリウムイオンの照射率と逆漏れ電流との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴに照射するヘリウムイオンの照射率と良品率との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴに注入するヘリウムイオンのドーズ量と逆漏れ電流との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴに注入するヘリウムイオンのドーズ量と順漏れ電流との関係を示す特性図である。 本発明の他の実施の形態に係るＩＧＢＴのライフタイム制御領域を模式的に説明する部分断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層や配線の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。同様に、「表面」、「裏面」等の表現は単なる選択であって、逆の定義でも構わない。

また以下の本発明の実施の形態の説明では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合について例示的に説明するが、導電型を逆の関係に選択して、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても構わない。また本明細書及び添付図面においては、ｎ又はｐを冠した領域や層では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。またｎやｐに付す＋や−は、＋及び−が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。また添付図面においては、見易さのため適宜ハッチングの図示を省略している。

（ＩＧＢＴの構造）
本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、図１に示すように、ＩＧＢＴの全体構造（図１中の上面）の略中央に位置し主電流が流れる活性領域Ａと、この活性領域Ａの外側に活性領域Ａを囲むように設けられた耐圧構造領域Ｂと、この耐圧構造領域Ｂの外側に耐圧構造領域Ｂを囲むように設けられた分離拡散領域Ｃと、を備える逆阻止ＩＧＢＴである。

活性領域Ａには、プレーナ型のＭＯＳゲート構造が周期的に形成されている。耐圧構造領域Ｂには、複数の第２導電型（ｐ型）のウェル領域及びこのウェル領域に接するフィールドプレート電極が設けられ、ＩＧＢＴの耐圧を高めている。活性領域Ａと耐圧構造領域Ｂとの境界は、図１では、左右方向の両端に位置する２つのベース領域２ａ，２ｄのそれぞれの外側の端面の位置である。すなわち活性領域Ａは、図１の断面図上の表現では、２つのベース領域２ａ，２ｄに挟まれた内側の領域として定義される。

また図示を省略するが、ＩＧＢＴは、図１の左右方向に直交し紙面を垂直に貫く方向である奥行方向にもＭＯＳゲート構造が複数連続して形成されたマトリクス状のトポロジーを有しており、左右方向の両端の境界と同様に、奥行方向の両端にも耐圧構造領域Ｂとの境界がそれぞれ設定されている。すなわち本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴでは、活性領域Ａは、半導体基板の主面を正面から見たときに、略矩形状の領域をなしている。

分離拡散領域Ｃには、選択的に深い第２導電型（ｐ型）を呈する不純物の拡散領域である分離層２０が形成され、分離層２０は、ドリフト領域１を構成している半導体基板の両方の主面を連結するように、ドリフト領域１の表面（図１中の上面）から裏面（図１中の下面）側のコレクタ領域１０まで形成されている。分離層２０が形成されていることにより、逆方向の電圧が印加された逆バイアス印加時でも、逆耐圧接合部であるドリフト領域１とコレクタ領域１０との間のｐｎ接合界面の終端部が、分離層２０を介して分離拡散領域Ｃの表面側に表われ、チップ化の際に切断されてもＩＧＢＴの側面に露出しない。そのため大きな漏れ電流の発生が抑制され、逆阻止ＩＧＢＴの逆耐圧信頼性が高められている。

活性領域ＡにおいてＩＧＢＴは、第１導電型のドリフト領域１の表面（上面）に設けられた複数の第２導電型のストライプ状のベース領域２ａ〜２ｄと、この複数のベース領域２ａ〜２ｄのそれぞれの内部に選択的に設けられた複数の第１導電型のエミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒと、を備える。またＩＧＢＴは、それぞれゲート絶縁膜４ａ〜４ｅを介して複数のエミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒから複数のベース領域２ａ〜２ｄの端部に至るベース領域２ａ〜２ｄの表面にそれぞれ設けられた複数のゲート電極５ａ〜５ｅと、このゲート電極５ａ〜５ｅの上に積層された複数の層間絶縁膜６ａ〜６ｅと、を備える。

またＩＧＢＴは、複数の層間絶縁膜６ａ〜６ｅ上に、複数のエミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒの表面と複数のベース領域２ａ〜２ｄの表面とに共通に接触して設けられたエミッタ電極７と、ドリフト領域１の裏面（下面）に設けられた第２導電型のコレクタ領域１０と、このコレクタ領域１０の裏面上に設けられたコレクタ電極１１と、を備える。

ドリフト領域１は、第１導電型（ｎ型）で低不純物濃度すなわち比較的高抵抗に形成された半導体領域である。例えば、逆阻止ＩＧＢＴの耐圧クラスが６００Ｖ〜１２００Ｖである場合、ドリフト領域１の表面側から裏面側までの厚みは、５０μｍ〜２００μｍ程度の範囲内とされ、図１に示したＩＧＢＴの場合、９５μｍ程度に構成されている。
ベース領域２ａ〜２ｄは第２導電型（ｐ型）の半導体領域である。尚、図１中では４個のベース領域２ａ〜２ｄが例示されているが、ベース領域の個数は４個以上でも以下でもよく、定格電流等の仕様に応じて適宜変更されてよい。ベース領域２ａ〜２ｄは、活性領域Ａ中、図１中の奥行方向に沿って直線状に延在しており、複数のベース領域２ａ〜２ｄが延在方向に直交する方向（図１中の左右方向）にいずれも等しい幅で、且つ、それぞれ等間隔で繰り返し形成されている。すなわち、ドリフト領域１の上面を正面から見たとき、複数のベース領域２ａ〜２ｄは、ストライプ状に設けられている。ベース領域２ａ〜２ｄの断面は、側辺が湾曲しているものの、下辺が上辺より僅かに短い逆台形状に近い形状で形成されており、ベース領域２ａ〜２ｄの左右方向に測った上辺の長さが、図２に示すように、ベース領域２ａ〜２ｄの最大ベース領域幅ｗ_ｂを構成する。

エミッタ領域は第１導電型（ｎ型）で高不純物濃度すなわち比較的低抵抗に形成された半導体領域である。コレクタ領域１０は、第２導電型（ｐ型）で高不純物濃度に形成された半導体領域であり、コレクタ領域１０からは、ＩＧＢＴに順方向の電圧が印加された時、ドリフト領域１に正孔が注入される。コレクタ領域１０の厚みは、０．２μｍ〜１０μｍ程度の範囲内に設定されている。

ドリフト領域１の内部であって、下部のコレクタ領域１０に近接する側の領域には、図１に示すように、面内方向に選択的に複数のライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄが設けられている。複数のライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄは、ドリフト領域１の下部の同じ深さに、左右方向に間隔を空けて間欠的に設けられている。またライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄは、ベース領域２ａ〜２ｄの下方に、ベース領域のそれぞれの配置位置に１対１でそれぞれ対応して設けられている。

ライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄは、後述するように、ヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋又は^４Ｈｅ^２＋）やプロトンイオン（^１Ｈ^＋）等の軽イオンからなる荷電粒子のドリフト領域１に注入によって格子欠陥が生じている領域である。ライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄでは、発生した格子欠陥によりトラップ準位が形成され、ドリフト領域１中の正孔の消滅速度が速まる。そのためライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄは、ＩＧＢＴ中の低ライフタイム領域として機能する。

図２中に例示する２個のライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂはそれぞれ、図２中の手前側に矩形状に表われる断面を一方の底面と定義した場合、この一方の底面と同形状の対向する底面を、図２中の奥行方向の両端にそれぞれ配置することで、側面をベース領域２ａ，２ｂの延在方向に平行に配置した略直方体状の領域で模式化して示されている。２個のライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの直方体の４つの側面のうち、図２中に表われる上面側の側面は、それぞれ対応するベース領域２ａ，２ｂの下面に平行に対向している。また図２中に表われる下面側の側面は、コレクタ領域１０の上面に平行に対向している。

ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂは、ドリフト領域１の下部で、コレクタ領域１０からベース領域２ａ，２ｂ側へ、予め設定された間隔（離間距離ｈ_ｓ）を設けて形成されている。離間距離ｈ_ｓは、１μｍ以上、２０μｍ程度以下の範囲内の値で設定されることが好ましい。離間距離ｈ_ｓが１μｍより短いと、ライフタイム領域の下面と、ドリフト領域１及びコレクタ領域１０間のｐｎ接合界面とが近接し過ぎて、ＩＧＢＴの動作に影響を与える。また離間距離ｈ_ｓが２０μｍより長いと、ｐ^＋ベース領域からｎ⁻ドリフト領域に再注入された正孔を逆耐圧接合領域に達する前に確実に低減されないため、逆漏れ電流の低減効果が減少する。

ＩＧＢＴのドリフト領域１の下部には、図２の断面図に示すように、同じ構造の複数のライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂが、面内方向に等間隔ｗ_ｓで設けられている。ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの、図２中の左右方向に測った長さである制御領域幅ｗ_Ｌは、ベース領域２ａ，２ｂのストライプの長手方向に直交する方向に測った幅として定義される。すなわち複数のライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄは、１個のライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄの制御領域幅ｗ_Ｌと、隣り合うライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄ間の間隔である制御領域間隔ｗ_ｓとの和（ｗ_Ｌ＋ｗ_ｓ）を、１ピッチとして繰り返し形成されている。尚、図２では、説明の便宜のため、ドリフト領域１の上面より上の表面構造と、コレクタ電極１１の図示を省略している。

ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂは、奥行方向においては対応するベース領域２ａ，２ｂと同様に、活性領域Ａの端から端まで形成され、活性領域Ａの奥行方向の長さと同じ長さを有する。またライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂは、左右方向の中心位置を、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの上方に位置するベース領域２ａ，２ｂの左右方向の中心位置と揃えて配置されている。ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの左右方向の制御領域幅ｗ_Ｌは、下記の式（１）及び式（２）の２つの条件を満足するように設定されている。
（α）ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域間隔ｗ_ｓが、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌ以上、且つ、９倍長（９ｗ_Ｌ）以下の範囲内：
ｗ_Ｌ≦ｗ_ｓ≦９ｗ_Ｌ ・・・式（１）
（β）制御領域幅ｗ_Ｌが、ベース領域の最大ベース領域幅ｗ_ｂ以上：
ｗ_ｂ≦ｗ_Ｌ ・・・式（２）

＜式（１）について＞
まず活性領域Ａにおける、エミッタ領域を含む１個のベース領域と、この着目したベース領域に隣接し、ベース領域間の領域となる左右いずれか一方の領域とを合わせた領域を「活性単位領域」と定義する。すなわち活性領域Ａの面積は、複数のベース領域２ａ〜２ｄの面積の総和と、複数のベース領域間の領域の面積の総和との和で定義され、図１に示したＩＧＢＴの場合、活性領域Ａの面積は３個の活性単位領域の面積と１個のベース領域の面積との和で表される。

ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌが式（１）を満足することにより、１個のライフタイム制御領域の直方体の下面の面積が、１個の活性単位領域の面積に対して１０％以上５０％以下の比率となる。そのためライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂをイオン注入で形成する際の、ドリフト領域１とコレクタ領域１０とのｐｎ接合界面への損傷面積を低減することが可能となる。尚、１個のライフタイム制御領域の下面の面積の、活性単位領域の面積に対する比率は、更に２０％以上４０％以下が望ましい。

ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの面積の活性単位領域の面積に対する比率が１０％未満の場合、コレクタ領域１０に再注入する正孔を十分に低減できない。またライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの面積の活性単位領域の面積に対する比率が５０％を超える場合、ドリフト領域１とコレクタ領域１０とのｐｎ接合界面の損傷面積が大きくなり過ぎる。

＜式（２）について＞
ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌが上記式（２）を満足することにより、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂを、図２の断面図に示した左右方向でベース領域２ａ，２ｂに重畳させることが可能となる。そしてベース領域２ａ，２ｂの底部とドリフト領域１とのｐｎ接合界面のうち、ベース領域２ａ，２ｂの左右方向の両側面がそれぞれ底部に連続する２つのコーナー部間の距離で定義されるスパンの幅内に、ベース領域の２ａ，２ｂの下方に位置するライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの上面を確実に対応させることが可能となる。そのためドリフト領域１とベース領域２ａ，２ｂとのｐｎ接合界面のコーナー部で発生し易い、逆漏れ電流の集中を緩和することが可能となる。

但し、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌが、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂより長くなり過ぎる場合、イオン注入時のｐｎ接合界面へのダメージが拡大するため、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは、逆漏れ電流の集中の緩和とｐｎ接合界面へのダメージ量との両方を考慮して設定されることが好ましい。

例えば、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂを１μｍとすると共にベース領域間の間隔を９μｍとした、最大ベース領域幅ｗ_ｂの、ベース領域２ａ，２ｂの繰り返しピッチに対する比率が１０％の場合を考える。活性単位領域の長さは１０μｍであるため、式（１）より、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは、活性単位領域の長さの１０％をなす１μｍ以上、且つ、５０％をなす５μｍ以下の範囲内の値が一次的に設定される。このとき範囲内の下限値をなす１μｍの長さは、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂ（＝１μｍ）以上であるため式（２）が満たされており、最終的なライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは、１μｍ以上５μｍ以下の範囲内で適宜選択可能である。

一方、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂを１μｍとすると共にベース領域ｗ_ｂ間の間隔を１μｍとした、最大ベース領域幅ｗ_ｂのベース領域２ａ，２ｂの繰り返しピッチに対する比率が５０％の場合を考える。活性単位領域の長さは２μｍであるため、式（１）より、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは、活性単位領域の長さの１０％である０．２μｍ以上、且つ、５０％である１μｍ以下の範囲内の値が、一次的に設定される。このとき範囲内の下限値をなす０．２μｍの長さは、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂ（＝１μｍ）より短いため、式（２）を満たさない。よって、選択できるライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは１μｍのみとなる。すなわち、最大ベース領域幅ｗ_ｂの繰り返しピッチに対する比率が大きくなるほど、選択可能なライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌの値の幅は狭まる。

図２に示したライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの場合、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂは約４．２μｍ、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは約５μｍ、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂ間の制御領域間隔ｗ_ｓは約１０μｍにそれぞれ設定されている。すなわち活性領域Ａには、ｗ_Ｌ＋ｗ_ｓ≒１５μｍのピッチで、長さ約５μｍのライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂがドリフト領域１の下部の面内方向に並設されていると共に、長さ約４．２μｍのベース領域２ａ，２ｂがドリフト領域１の上部の面内方向に並設されている。尚、このとき活性単位領域の左右方向の長さはｗ_Ｌ＋ｗ_ｓ≒１５μｍになると共に、ベース領域２ａ，２ｂ間の間隔は、ｗ_Ｌ＋ｗ_ｓ−ｗ_ｂ≒１０．８μｍとなる。

図２に示したライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの場合、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂ間の制御領域間隔ｗ_ｓは、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌの約２倍であり（ｗ_ｓ＝２ｗ_Ｌ）、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの下面の面積は、活性単位領域の面積の３分の１程度に形成されている。またライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの制御領域幅ｗ_Ｌは、ベース領域２ａ，２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂの約１２０％の長さに設定されている。

またライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの図２中の上下方向に沿った長さである制御領域厚みｈ_Ｌは、コレクタ領域１０の厚みｈ_ｃ以上、且つ、コレクタ領域１０の厚みｈ_ｃプラス１０μｍ程度の値に設定されている（ｈ_ｃ≦ｈ_Ｌ≦（ｈ_ｃ＋１０）μｍ）。ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの厚みｈ_Ｌは、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂを形成するためにドリフト領域１に注入される荷電粒子の分布の幅を示す。ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの厚みｈ_Ｌは、荷電粒子の飛程分布のピーク位置を用いて定義できる。例えば、注入される荷電粒子の濃度のピーク位置をなす高さ位置から、厚み方向に対して対称的に拡がるガウス分布における、荷電粒子の濃度のピーク位置から上下１０％の高さで定義される範囲、として設定可能である。

ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの厚みｈ_Ｌが、コレクタ領域１０の厚みｈ_ｃ未満の場合、正孔がライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂで十分に電子と再結合せず、逆漏れ電流の低減効果が減少する。またライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの厚みｈ_Ｌが、コレクタ領域１０の厚みｈ_ｃプラス１０μｍの長さを超える場合、ドリフト領域１とコレクタ領域１０とのｐｎ接合界面の損傷領域の容量が大きくなる。

（ＩＧＢＴの製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法を説明する。
（ａ）まず例えば厚さ５００μｍ程度以上のｎ型を呈するシリコン半導体基板の表面に０．８〜２．５μｍ程度の膜厚の熱酸化膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程により所定の形状にパターニングして、分離拡散領域Ｃを形成するためのイオン注入用マスクを形成する。このイオン注入用マスクを用いて、ボロン（Ｂ）等のｐ型を呈する不純物イオンを注入する。イオン注入後、熱酸化膜を除去し、１３００℃程度で１００〜３００時間程度、熱処理により活性化して不純物イオンを裏面側まで深く拡散させ、１００〜２００μｍ程度の深さの分離層２０を形成する。

（ｂ）次に、熱処理中に形成された酸化膜を除去した後、改めて酸化膜を形成し、分離層２０の形成の場合と同様に、フォトリソグラフィ工程及びイオン注入法等を用いて、ｐ型を呈する不純物イオンを注入し、熱処理により活性化して、図３に示すように、活性領域Ａ中のドリフト領域１の表面に複数のベース領域２ａ〜２ｄを形成する。
（ｃ）次に、半導体基板の表面上に熱酸化法等により複数のゲート絶縁膜４ａ〜４ｅを形成する。そして形成されたゲート絶縁膜４ａ〜４ｅの全面上に、減圧ＣＶＤ法等を用いて、ドープドポリシリコン膜を堆積する。ドープドポリシリコン膜の堆積後、フォトリソグラフィ技術等によりパターニングされたレジストをマスクとして、ドライエッチング技術等でドープドポリシリコン膜をエッチングし、図４に示すように、複数のゲート電極５ａ〜５ｅを形成する。

（ｄ）次に、フォトリソグラフィ技術等によりイオン注入用マスクを形成し、半導体基板の表面側からリン（Ｐ）等のｎ型を呈する不純物イオンを、ゲート電極５ａ〜５ｅに対して自己整合させて注入する。イオン注入後、熱処理により注入された不純物イオンを活性化して、複数のベース領域２ａ〜２ｄの内部のそれぞれの一部に複数のエミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒを、図４に示すようにそれぞれ形成する。自己整合法を用いているため、エミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒそれぞれの端部の位置は、ゲート電極５ａ〜５ｅのそれぞれの端部の位置に自動的に整合される。

（ｅ）次に、ゲート電極５ａ〜５ｅの上に、ＣＶＤ法等により層間絶縁膜６ａ〜６ｅを全面に堆積する。そして、フォトリソグラフィ技術等を用いてエミッタ領域３ａ_Ｌ，３ａ_Ｒ，３ｂ_Ｌ，…３ｄ_Ｒとベース領域２ａ〜２ｄとに共通して開口するように、層間絶縁膜６ａ〜６ｅ中に複数のコンタクトホールを開口する。コンタクトホールの開口後、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム・シリコン合金（Ａｌ‐Ｓｉ）等の金属膜を、真空蒸着法やスパッタリング法等を用いて全面に堆積させる。そしてフォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を用いて金属膜をパターニングして層間絶縁膜６ａ〜６ｅ上にエミッタ電極７を形成し、図５に示すように、半導体基板の表面構造を完成する。その後、半導体基板全面に電子線を照射してライフタイムキラーを導入した後、半導体基板の裏面を研削して半導体基板の厚みを減じ、研削された裏面に分離層２０の下端面を露出させる。

（ｆ）次に、半導体基板の裏面側に荷電粒子が照射されるように、半導体基板を、図示を省略する支持台を介してＸＹステージ上に載置する。そしてＸＹステージを所定の方向に移動させ、半導体基板の裏面の所定の位置に、サイクロトロン等を用いて荷電粒子を照射する。このとき、裏面側の活性領域Ａの全面に対応する領域に荷電粒子を照射することなく、図６中の上向き矢印で示すように、選択的に照射してライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄを形成する。

照射に用いる荷電粒子としては、半導体基板の厚さ方向における打ち込み位置の制御性に優れる軽イオンが好ましい。軽イオンとしては、ヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋又は^４Ｈｅ^２＋）やプロトンイオン（^１Ｈ^＋）等を用いることができる。例えばプロトンイオン（^１Ｈ^＋）はヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋）に対して約３分の１の原子量であるため、射影飛程の深いプロトンイオン（^１Ｈ^＋）を照射する場合、ヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋）の照射量に対して約３倍の照射量が必要となる。またヘリウムイオンの方がドナー化の影響がない点でプロトンイオンより好ましい。

ヘリウムイオンは、例えば、図６中の左右方向をＸ方向とした場合、ＸＹステージをＸ方向に移動させながら、活性領域Ａの左右方向の一端側からＸ方向に制御領域幅ｗ_Ｌの区間に照射を一定のビーム径で掃引する。制御領域幅ｗ_Ｌの区間の掃引が終了した後、制御領域間隔ｗ_ｓの区間はヘリウムイオンを照射せずに半導体基板の移動のみ行う。そして制御領域間隔ｗ_ｓの区間の移動が終了した後、再び制御領域幅ｗ_Ｌの区間にヘリウムイオンを一定のビーム径で照射するように掃引する。制御領域幅ｗ_Ｌの区間の掃引が終了した後、再び制御領域間隔ｗ_ｓの区間はヘリウムイオンを照射せずに…の処理を、活性領域Ａの他端側の境界位置まで繰り返す。

ヘリウムイオンの照射が、活性領域Ａの他端側の境界まで掃引された後、半導体基板をＹ方向へ所定量移動させ、移動した位置から、ＸＹステージを活性領域Ａの他端側から一端側に向かって、先行のヘリウムイオン照射のための掃引と同様に、照射と非照射とを繰り返し、先行の照射ラインと平行に、後続の照射ラインを掃引する。Ｘ方向の掃引による照射とＹ方向の移動とを組み合わせて繰り返し行うことにより、ドリフト領域１の内部の裏面側に、活性単位領域の面積に対して１０％以上５０％以下の比率をなす面積を有する領域にヘリウムイオンを注入し、面内方向に選択的にライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄを形成する。ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂは、複数のベース領域２ａ〜２ｄの配置に対応した領域に位置する。またライフタイム制御領域の制御領域幅ｗ_Ｌが、ベース領域２ａ〜２ｄの最大ベース領域幅ｗ_ｂに重畳する長さとなる。

またヘリウムイオンの注入は、ライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄの下面が、後工程で形成されるコレクタ領域１０の予定される上面の位置から離間距離ｈ_ｓだけ離間するとともに、厚みｈ_Ｌがコレクタ領域１０の厚みｈ_ｃ以上、且つ、コレクタ領域１０の厚みｈ_ｃプラス１０μｍ程度以下となるように、加速電圧を設定して行う。ヘリウムイオンの注入は、例えば、ドーズ量を１×１０^１１〜５×１０^１１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）程度とし、加速電圧を２３ｋｅＶ程度として行う。尚、ヘリウムイオンの注入後、低温アニール処理を施して、発生する格子欠陥の量を制御することにより、ライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄの位置及び厚みを制御してもよい。

（ｇ）ライフタイム制御領域３０ａ〜３０ｄの形成後、半導体基板の裏面に、ドーズ量１×１０^１３（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）程度のボロン（Ｂ）等のｐ型を呈する不純物イオンを注入して、３００〜３５０℃程度で６０分程度の低温アニールを行って活性化する。この活性化により、図７に示すように、ボロン（Ｂ）のピーク濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）程度で、厚みが１μｍ程度のコレクタ領域１０が形成される。活性化の結果、ｐ型のコレクタ領域１０とｐ型の分離層２０とが導電接続される。またベース領域２ａ〜２ｄとコレクタ領域１０に挟まれた半導体基板の領域が、ドリフト領域１を構成する。更に、コレクタ領域１０の下面上にＡｌやＡｌ‐Ｓｉ合金等の金属板を例えば合金法により接合してコレクタ電極１１を形成する。その後、半導体基板を分離拡散領域Ｃの位置で格子状にダイシングして複数枚のチップに分割する。

（ＩＧＢＴの特性）
図８に示すように、ヘリウムイオン（^３Ｈｅ^２＋）の照射面積の活性単位領域の面積に対する比率（以下「照射率」という。）が０％のとき逆漏れ電流が約６０μＡであるのに対し、照射率１０％のとき逆漏れ電流が約１０μＡとなる。また照射率５０％のとき逆漏れ電流が約９μＡとなる。よって照射率０％の場合に比べ逆漏れ電流を約６分の１に低減できる。

また図９に示すように、照射率が０％のとき良品率が約９６％であるのに対し、照射率１０％のとき良品率は約９０％、また照射率５０％のとき良品率は約８５％となる。また照射率１００％のとき良品率は約５０％にまで低下する。ここで「良品率」は、製造された逆阻止ＩＧＢＴの中から所定数のサンプルを抽出して逆漏れ電流を測定し、測定された逆漏れ電流の値が、出荷可能水準の値以下であるサンプル数の、サンプル母数に対する割合として定義される。

また図１０に、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの下面の面積が活性単位領域の面積に対して約３分の１をなすように、ヘリウムイオンのドーズ量を変化させて照射して製造したＩＧＢＴに、逆方向の電圧を印加したときの逆漏れ電流の大きさの変化を示す。図１０に示すように、ドーズ量が零（照射率０％）のとき逆漏れ電流が約６０μＡであるのに対し、ドーズ量が１×１０^１１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）のとき逆漏れ電流が約５０μＡとなり、逆漏れ電流が約７％低減する。またドーズ量が５×１０^１１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）のとき逆漏れ電流が約５μＡとなり、逆漏れ電流が９０％以上低減する。

また図１１に、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの下面の面積が活性単位領域の面積に対して約３分の１をなすように、ヘリウムイオンのドーズ量を変化させて照射して製造したＩＧＢＴに、順方向の電圧を印加したときの順漏れ電流の大きさの変化を示す。図１１に示すように、ドーズ量が１×１０^１１〜５×１０^１１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）の範囲では、順漏れ電流が約４．０μＡ以下に抑えられている。ドーズ量が５×１０^１１（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）を超える場合、ヘリウムイオンの照射によりドリフト領域１とコレクタ領域１０とのｐｎ接合界面のダメージが大きくなり、順漏れ電流が４．０μＡ以上となる。よって、ヘリウムイオンのドーズ量は１×１０^１１以上５×１０^１１以下であることが好ましい。

本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴは、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂが、ドリフト領域１の下部のコレクタ領域１０側で、ベース領域２ａ，２ｂの下方に位置するように半導体基板の面内方向に選択的に設けられている。そのため、ＩＧＢＴに逆方向の電圧が印加されたとき、ベース領域２ａ，２ｂからドリフト領域１へ再注入される正孔は、ベース領域とライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂとの間で電子との再結合が進行した後、連続してライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂで更に再結合が促進される。そのため、再注入された正孔の量を、ドリフト領域１とコレクタ領域１０との逆バイアスされたｐｎ接合界面に到達する前に大きく低減することが可能となり、逆バイアス印加時の逆漏れ電流を低減することができる。

また本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの製造方法によれば、ライフタイム制御領域３０ａ，３０ｂの下面の面積が活性単位領域の面積に対して１０％以上５０％、望ましくは２０％以上４０％以下の比率となるように、ヘリウムイオンの照射率を制御してイオン注入を行う。そのため、照射率１００％でライフタイム制御領域を形成する場合に比べ、ヘリウムイオンの照射によるドリフト領域１とコレクタ領域１０との逆バイアスされたｐｎ接合界面の損傷面積が低減され、ＩＧＢＴの良品率を高く維持することが可能となる。すなわち、図８に示した逆漏れ電流の低減と、図９に示した高い良品率の維持とをバランスよく達成することができる。本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴは、特に、逆方向の大きな電圧が印加される逆阻止ＩＧＢＴとして適用した場合に好適となる。

（その他の実施の形態）
本発明は上記のとおり開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば本発明の実施の形態では、キャリア蓄積領域に正孔が蓄積されることで伝導度変調効果が生じるｎｐｎトランジスタ型のＩＧＢＴを説明したが、これに限定されず、ｎとｐとを入れ替えてｐｎｐトランジスタ型とし、蓄積されるキャリアを電子とするＩＧＢＴを構成してもよい。またＭＯＳゲート構造としてプレーナ型に限定されることなく、トレンチ型であってもよい。またＩＧＢＴとして逆阻止ＩＧＢＴに限定されるものではない。

例えば図１２に示したその他の実施の形態に係るＩＧＢＴでは、２個のベース領域２ａ，２ｂ中にそれぞれ、ベース領域２ａ，２ｂの延在方向に沿って、複数のエミッタ領域３ａ_Ｌ１〜３ａ_Ｌ２，３ａ_Ｒ１〜３ａ_Ｒ３，３ｂ_Ｌ１〜３ｂ_Ｌ２，３ｂ_Ｒ１〜３ｂ_Ｒ３が互いに離間して等制御領域間隔で設けられている。図１２中の左側に示すベース領域２ａの下方には、ベース領域２ａ中のエミッタ領域３ａ_Ｌ１〜３ａ_Ｌ２，３ａ_Ｒ１〜３ａ_Ｒ３の奥行方向の最大ベース領域幅ｗ_ｅと略等しい長さで形成された、３個のライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３が、ベース領域２ａの延在方向に沿って設けられている。

また図１２中の右側に示すベース領域２ｂの下方にも、ベース領域２ｂ中のエミッタ領域３ｂ_Ｌ１〜３ｂ_Ｌ２，３ｂ_Ｒ１〜３ｂ_Ｒ３の奥行方向の最大ベース領域幅ｗ_ｅと略等しい長さで形成された、３個のライフタイム制御領域３０ｂ１〜３０ｂ３が、ベース領域２ｂの延在方向に沿って設けられている。尚、図１２中でベース領域の延在方向に並設されるエミッタ領域の個数は３個であるが、定格電流等の仕様に応じて、３個以上複数設けられてもよい。

図１２に示したライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３，３０ｂ１〜３０ｂ３は、上記（ＩＧＢＴの製造方法）と同様に、ヘリウムイオン等の荷電粒子の注入によって行われる。図１２中の左側に示す１個のベース領域２ａに対応する３個のライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３の下面の面積の和は、活性単位領域の面積に対して１０％以上５０％以下の比率となるように設定されている。また３個のライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３の制御領域幅ｗ_Ｌは、ベース領域２ａの最大ベース領域幅ｗ_ｂに重畳する長さとされている。

尚、第１変形例においても活性単位領域は、エミッタ領域を含む１個のベース領域とベース領域間の１個の領域とによって定義される。そのため、図１２に示したＩＧＢＴの場合、図２に示したＩＧＢＴとエミッタ領域以外の表面構造の寸法が同じであっても、エミッタ領域の面積がベース領域の延在方向において図２に示したＩＧＢＴより少ない分、活性単位領域の面積も図２に示したＩＧＢＴより少なくなる。

また図１２中の右側に示す１個のベース領域２ｂに対応する３個のライフタイム制御領域３０ｂ１〜３０ｂ３の下面の面積の和も、左側の３個のライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３と同様に、活性単位領域の面積に対して１０％以上５０％以下の比率となるように設定されている。また３個のライフタイム制御領域０ｂ１〜３０ｂ３の制御領域幅ｗ_Ｌも、左側の３個のライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３と同様に、ベース領域２ｂの最大ベース領域幅ｗ_ｂに重畳する長さとされている。

図１２に示したＩＧＢＴでは、ライフタイム制御領域３０ａ１〜３０ａ３，３０ｂ１〜３０ｂ３が、複数のエミッタ領域３ａ_Ｌ１〜３ａ_Ｌ２，３ａ_Ｒ１〜３ａ_Ｒ３，３ｂ_Ｌ１〜３ｂ_Ｌ２，３ｂ_Ｒ１〜３ｂ_Ｒ３に対応してベース領域２ａ，２ｂの延在方向にも選択的に形成される。そのため荷電粒子を注入する時のドリフト領域１とコレクタ領域１０とのｐｎ接合界面のダメージを、不必要に拡大することなく、逆漏れ電流を低減させることができる。尚、他の構造については、図１〜図１１で説明した本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴと同様であるため説明を省略する。
以上のように本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ ドリフト領域
２ａ〜２ｄ ベース領域
３ａ_Ｌ，〜３ｄ_Ｌ，３ａ_Ｒ〜３ｄ_Ｒ エミッタ領域
４ａ〜４ｅ ゲート絶縁膜
５ａ〜５ｅ ゲート電極
６ａ〜６ｅ 層間絶縁膜
７ エミッタ電極
１０ コレクタ領域
１１ コレクタ電極
２０ 分離層
３０ａ〜３０ｄ ライフタイム制御領域
Ａ 活性領域
Ｂ 耐圧構造領域
Ｃ 分離拡散領域
ｗ_ｂ 最大ベース領域幅
ｗ_Ｌ 制御領域幅
ｗ_ｓ 制御領域間隔
ｈ_ｃ コレクタ領域の厚み
ｈ_Ｌ 制御領域厚み
ｈ_ｓ 離間距離

Claims (6)

1. 第１導電型のドリフト領域の上面に選択的に設けられた複数の第２導電型のストライプ状のベース領域と、
   該ベース領域のそれぞれの内部に選択的に設けられた第１導電型のエミッタ領域と、
   前記エミッタ領域から前記ベース領域の端部に至る前記ベース領域の表面にそれぞれ設けられたゲート電極と、
   前記ドリフト領域の下面に設けられた第２導電型のコレクタ領域と、
   前記ドリフト領域の内部の前記コレクタ領域側に、前記複数のベース領域の配置に対応して設けられた複数のライフタイム制御領域と、
   を備える絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
2. 前記ライフタイム制御領域の面積が、前記複数のベース領域の面積の総和と前記複数のベース領域間の領域の面積の総和との和に対して１０％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
3. 前記ライフタイム制御領域は、前記ストライプの長手方向に直交する方向に測った前記ベース領域の幅に重畳する幅を有することを特徴とする請求項２に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
4. 第１導電型の半導体基板の表面に複数の第２導電型のストライプ状のベース領域を選択的に形成する工程と、
   前記複数のベース領域の表面にゲート酸化膜を介してそれぞれゲート電極を形成する工程と、
   前記複数のベース領域のそれぞれの一部に第１導電型のエミッタ領域をそれぞれ形成する工程と、
   前記半導体基板の裏面に第２導電型のコレクタ領域を形成し、前記ベース領域と前記コレクタ領域に挟まれた前記半導体基板の領域をドリフト領域とする工程と、
   選択的な荷電粒子の注入によって、前記ドリフト領域の内部の前記コレクタ領域側であって前記複数のベース領域の配置に対応した領域に、それぞれライフタイム制御領域を選択的に形成する工程と、
   を含むことを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。
5. 前記選択的な荷電粒子の注入は、注入する領域の面積が、前記複数のベース領域の面積の総和と前記ベース領域間の領域の面積の総和との和に対して１０％以上５０％以下となるように行うことを特徴とする請求項４に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。
6. 前記選択的な荷電粒子の注入は、前記ストライプの長手方向に直交する方向に測った注入する領域の幅が、前記ベース領域の幅に重畳する長さとなるように行うことを特徴とする請求項５に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。

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