JP2022161357A - 半導体装置および製造方法 - Google Patents

半導体装置および製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2022161357A
JP2022161357A JP2021066101A JP2021066101A JP2022161357A JP 2022161357 A JP2022161357 A JP 2022161357A JP 2021066101 A JP2021066101 A JP 2021066101A JP 2021066101 A JP2021066101 A JP 2021066101A JP 2022161357 A JP2022161357 A JP 2022161357A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
concentration
region
hydrogen
peak
semiconductor substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021066101A
Other languages
English (en)
Inventor
洋輔 桜井
Yosuke Sakurai
晴司 野口
Seishi Noguchi
尚 吉村
Takashi Yoshimura
博 瀧下
Hiroshi Takishita
美佐稀 内田
Misaki UCHIDA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2021066101A priority Critical patent/JP2022161357A/ja
Priority to US17/703,934 priority patent/US20220328313A1/en
Priority to CN202210347147.2A priority patent/CN115207114A/zh
Publication of JP2022161357A publication Critical patent/JP2022161357A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/8613—Mesa PN junction diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H01L21/221—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities of killers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
    • H01L21/26506—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
    • H01L21/26506—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors
    • H01L21/26526—Recoil-implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0611—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
    • H01L27/0641—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region without components of the field effect type
    • H01L27/0647—Bipolar transistors in combination with diodes, or capacitors, or resistors, e.g. vertical bipolar transistor and bipolar lateral transistor and resistor
    • H01L27/0652—Vertical bipolar transistor in combination with diodes, or capacitors, or resistors
    • H01L27/0664—Vertical bipolar transistor in combination with diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/07—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration the components having an active region in common
    • H01L27/0705—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration the components having an active region in common comprising components of the field effect type
    • H01L27/0727—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration the components having an active region in common comprising components of the field effect type in combination with diodes, or capacitors or resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/30—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface
    • H01L29/32—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface the imperfections being within the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/36—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the concentration or distribution of impurities in the bulk material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66234—Bipolar junction transistors [BJT]
    • H01L29/66325—Bipolar junction transistors [BJT] controlled by field-effect, e.g. insulated gate bipolar transistors [IGBT]
    • H01L29/66333—Vertical insulated gate bipolar transistors
    • H01L29/66348—Vertical insulated gate bipolar transistors with a recessed gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • H01L29/0692—Surface layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083—Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0834—Anode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices, e.g. supplementary regions surrounding anode regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1095—Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/402—Field plates
    • H01L29/407—Recessed field plates, e.g. trench field plates, buried field plates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H01L29/7396—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
    • H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Figure 2022161357000001
【課題】高濃度領域を、深さ方向に長く形成する。
【解決手段】ＩＧＢＴが設けられた半導体装置であって、上面および下面を有し、全体にバルク・ドナーが分布した半導体基板と、水素化学濃度が極大値を示し、半導体基板の下面から深さ方向に２５μｍ以上離れて配置された頂点、頂点から上面に向かって水素化学濃度が減少する上側裾、および、頂点から下面に向かって上側裾よりも緩やかに水素化学濃度が減少する下側裾を含む水素ピークと、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、水素ピークの頂点から上面に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む第１高濃度領域とを備える半導体装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置および製造方法に関する。
従来、プロトンを半導体基板に注入してバッファ領域を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１４－１３８１７３号公報
バッファ領域のような高濃度領域を、深さ方向に長く形成したい場合がある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ＩＧＢＴが設けられた半導体装置を提供する。半導体装置は、上面および下面を有し、全体にバルク・ドナーが分布した半導体基板を備えてよい。半導体装置は、水素ピークを備えてよい。水素ピークは、水素化学濃度が極大値を示し、半導体基板の下面から深さ方向に２５μｍ以上離れて配置された頂点を有してよい。水素ピークは、頂点から上面に向かって水素化学濃度が減少する上側裾を有してよい。水素ピークは、頂点から下面に向かって上側裾よりも緩やかに水素化学濃度が減少する下側裾を有してよい。半導体装置は、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、水素ピークの頂点から上面に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む第１高濃度領域を備えてよい。
半導体装置は、半導体基板の上面に設けられたトレンチ部を備えてよい。トレンチ部の下端から水素ピークまでの領域において、キャリアライフタイムが平坦、単調に増加、または、単調に減少していてよい。
トレンチ部の下端は、下面から第１距離だけ離れて配置されてよい。水素ピークと下面との第２距離が、第１距離の０．３倍以上、０．８倍以下であってよい。
半導体装置は、水素ピークと同一の深さ位置に設けられ、深さ方向のドナー濃度分布がピークを示すドナー濃度ピークを備えてよい。半導体装置は、ドナー濃度ピークよりも半導体基板の上面側に配置され、深さ方向のドナー濃度分布が平坦な上側平坦部を備えてよい。半導体装置は、ドナー濃度ピークよりも半導体基板の下面側に配置され、深さ方向のドナー濃度分布が平坦な下側平坦部を備えてよい。上側平坦部のドナー濃度が、下側平坦部のドナー濃度の０．５倍以上、２倍以下であってよい。
水素ピークが、半導体基板の上面側に配置されていてよい。
半導体基板は、ＩＧＢＴが設けられたトランジスタ部と、ダイオードが設けられたダイオード部とを有してよい。ダイオード部は、水素ピークよりも上面側に配置され、深さ方向のキャリアライフタイム分布が極小値を示すライフタイム調整部を有してよい。トランジスタ部は、ダイオード部のライフタイム調整部と同一の深さ位置において、キャリアライフタイム分布が極小値を示さないライフタイム非調整部を有してよい。ライフタイム非調整部と深さ方向で重なる領域に、水素ピークおよび第１高濃度領域が設けられていてよい。
ライフタイム調整部は、深さ方向のヘリウム化学濃度分布がピークを示すヘリウムピークを有してよい。ライフタイム非調整部は、ヘリウムピークと同一の深さ位置において、ヘリウム化学濃度分布が平坦であってよい。
ダイオード部は、水素ピークを有してよい。ダイオード部は、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、水素ピークから上面に向かって延伸した領域を含む第２高濃度領域を有してよい。第２高濃度領域が上面に向かって延伸する長さは、第１高濃度領域が上面に向かって延伸する長さよりも長くてよい。
本発明の第２の態様においては、上面および下面を有し、全体にバルク・ドナーが分布した半導体基板を備え、ＩＧＢＴが設けられる半導体装置の製造方法を提供する。製造方法は、１．４ＭｅＶより大きい加速エネルギーで下面から半導体基板に水素イオンを注入して、水素化学濃度が極大値を示す水素ピークを形成する水素注入段階を備えてよい。製造方法は、半導体基板をアニールして、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、水素ピークの頂点から上面に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む第１高濃度領域を形成するアニール段階を備えてよい。
水素注入段階における水素イオンのドーズ量が、１×１０１２／ｃｍ２以上であってよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
半導体装置１００の一例を示す断面図である。 図１のａ－ａ線に示した位置における、水素化学濃度、ドナー濃度、空孔密度、および、キャリアライフタイムの深さ方向の分布例を示している。 ドナー濃度ピーク２２１の近傍のドナー濃度分布の拡大図である。 高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１と、水素イオンの加速エネルギーとの関係を測定した測定結果を示す図である。 図４Ａの水素イオンの加速エネルギーを、当該加速エネルギーで注入した水素イオンの飛程となるピーク位置に置き換えた図である。 高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１と、水素イオンのドーズ量との関係を示す図である。 半導体装置１００の上面図の一例である。 図５における領域Ｅの拡大図である。 図６におけるｂ－ｂ断面の一例を示す図である。 図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の分布例を示している。 図８のｄ－ｄ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の分布例を示している 図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。 図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。 図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。 図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。 図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。 半導体装置１００の製造方法の一例を示す図である。 半導体装置１００の製造方法の他の例を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本明細書においては半導体基板の深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層またはその他の部材の２つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は、重力方向または半導体装置の実装時における方向に限定されない。
本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。直交座標軸は、構成要素の相対位置を特定するに過ぎず、特定の方向を限定するものではない。例えば、Ｚ軸は地面に対する高さ方向を限定して示すものではない。なお、＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とは互いに逆向きの方向である。正負を記載せず、Ｚ軸方向と記載した場合、＋Ｚ軸および－Ｚ軸に平行な方向を意味する。
本明細書では、半導体基板の上面および下面に平行な直交軸をＸ軸およびＹ軸とする。また、半導体基板の上面および下面と垂直な軸をＺ軸とする。本明細書では、Ｚ軸の方向を深さ方向と称する場合がある。また、本明細書では、Ｘ軸およびＹ軸を含めて、半導体基板の上面および下面に平行な方向を、水平方向と称する場合がある。本明細書において半導体基板の上面側と称した場合、半導体基板の深さ方向における中央から上面までの領域を指す。半導体基板の下面側と称した場合、半導体基板の深さ方向における中央から下面までの領域を指す。
本明細書において「同一」または「等しい」のように称した場合、製造ばらつき等に起因する誤差を有する場合も含んでよい。当該誤差は、例えば１０％以内である。
本明細書においては、不純物がドーピングされたドーピング領域の導電型をＰ型またはＮ型として説明している。本明細書においては、不純物とは、特にＮ型のドナーまたはＰ型のアクセプタのいずれかを意味する場合があり、ドーパントと記載する場合がある。本明細書においては、ドーピングとは、半導体基板にドナーまたはアクセプタを導入し、Ｎ型の導電型を示す半導体またはＰ型の導電型を示す半導体とすることを意味する。
本明細書においては、ドーピング濃度とは、熱平衡状態におけるドナーの濃度またはアクセプタの濃度を意味する。本明細書においては、ネット・ドーピング濃度とは、ドナー濃度を正イオンの濃度とし、アクセプタ濃度を負イオンの濃度として、電荷の極性を含めて足し合わせた正味の濃度を意味する。一例として、ドナー濃度をＮＤ、アクセプタ濃度をＮＡとすると、任意の位置における正味のネット・ドーピング濃度はＮＤ－ＮＡとなる。
ドナーは、半導体に電子を供給する機能を有している。アクセプタは、半導体から電子を受け取る機能を有している。ドナーおよびアクセプタは、不純物自体には限定されない。例えば、半導体中に存在する空孔（Ｖ）、酸素（Ｏ）および水素（Ｈ）が結合したＶＯＨ欠陥は、電子を供給するドナーとして機能する。
本明細書においてＰ＋型またはＮ＋型と記載した場合、Ｐ型またはＮ型よりもドーピング濃度が高いことを意味し、Ｐ－型またはＮ－型と記載した場合、Ｐ型またはＮ型よりもドーピング濃度が低いことを意味する。また、本明細書においてＰ＋＋型またはＮ＋＋型と記載した場合には、Ｐ＋型またはＮ＋型よりもドーピング濃度が高いことを意味する。
本明細書において化学濃度とは、電気的な活性化の状態によらずに測定される不純物の原子密度を指す。化学濃度（原子密度）は、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により計測できる。上述したネット・ドーピング濃度は、電圧－容量測定法（ＣＶ法）により測定できる。また、拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）により計測されるキャリア密度を、ネット・ドーピング濃度としてよい。ＣＶ法またはＳＲ法により計測されるキャリア密度は、熱平衡状態における値としてよい。また、Ｎ型の領域においては、ドナー濃度がアクセプタ濃度よりも十分大きいので、当該領域におけるキャリア密度を、ドナー濃度としてもよい。同様に、Ｐ型の領域においては、当該領域におけるキャリア密度を、アクセプタ濃度としてもよい。
また、ドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度分布がピークを有する場合、当該ピーク値を当該領域におけるドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度としてよい。ドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度がほぼ均一な場合等においては、当該領域におけるドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度の平均値をドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度としてよい。
ＳＲ法により計測されるキャリア密度が、ドナーまたはアクセプタの濃度より低くてもよい。拡がり抵抗を測定する際に電流が流れる範囲において、半導体基板のキャリア移動度が結晶状態の値よりも低い場合がある。キャリア移動度の低下は、格子欠陥等による結晶構造の乱れ（ディスオーダー）により、キャリアが散乱されることで生じる。
ＣＶ法またはＳＲ法により計測されるキャリア密度から算出したドナーまたはアクセプタの濃度は、ドナーまたはアクセプタを示す元素の化学濃度よりも低くてよい。一例として、シリコンの半導体においてドナーとなるリンまたはヒ素のドナー濃度、あるいはアクセプタとなるボロン（ホウ素）のアクセプタ濃度は、これらの化学濃度の９９％程度である。一方、シリコンの半導体においてドナーとなる水素のドナー濃度は、水素の化学濃度の０．１％から１０％程度である。
図１は、半導体装置１００の一例を示す断面図である。半導体装置１００は半導体基板１０を備える。半導体基板１０は、半導体材料で形成された基板である。一例として半導体基板１０はシリコン基板である。
本例の半導体基板１０には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が形成されている。半導体基板１０には、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等のダイオード素子が更に形成されていてもよい。図１においては、ＩＧＢＴおよびダイオード素子の、各電極および半導体基板１０の内部に設けられた各領域を省略している。
本例の半導体基板１０は、Ｎ型のバルク・ドナーが全体に分布している。バルク・ドナーは、半導体基板１０の元となるインゴットの製造時に、インゴット内に略一様に含まれたドーパントによるドナーである。本例のバルク・ドナーは、水素以外の元素である。バルク・ドナーのドーパントは、例えばＶ族、ＶＩ族の元素であり、例えばリン、アンチモン、ヒ素、セレンまたは硫黄であるが、これに限定されない。本例のバルク・ドナーは、リンである。バルク・ドナーは、Ｐ型の領域にも含まれている。半導体基板１０は、半導体のインゴットから切り出したウエハであってよく、ウエハを個片化したチップであってもよい。半導体のインゴットは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）、磁場印加型チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）、フロートゾーン法（ＦＺ法）のいずれかで製造されてよい。
ＭＣＺ法で製造された半導体基板１０に含まれる酸素化学濃度は一例として１×１０１７～１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。酸素化学濃度は、７×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってもよい。ＦＺ法で製造された半導体基板１０に含まれる酸素化学濃度は一例として１×１０１５～５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。半導体基板１０の酸素化学濃度は、基板全体にわたって、上述した範囲内であってよい。ただし、半導体基板１０の主面近傍においては、アニール処理等により酸素が基板外に放出される場合がある。半導体基板１０の表面近傍における酸素化学濃度は、上述した範囲の下限を下回っていてもよい。
半導体基板１０に含まれる炭素化学濃度は一例として１×１０１３～１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。半導体基板１０の炭素化学濃度は、基板全体にわたって、上述した範囲内であってよい。半導体基板１０の酸素化学濃度および炭素化学濃度は、一方の主面から他方の主面に向かって単調に増加してよく、単調に減少してよく、一定であってもよい。
バルク・ドナー濃度は、半導体基板１０の全体に分布しているバルク・ドナーの化学濃度を用いてよく、当該化学濃度の９０％から１００％の間の値を用いてもよい。リンなどのＶ族、ＶＩ族のドーパントがドープされた半導体基板では、バルク・ドナー濃度は、１×１０１１／ｃｍ３以上、３×１０１３／ｃｍ３以下であってよい。Ｖ族、ＶＩ族のドーパントがドープされた半導体基板のバルク・ドナー濃度は、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３以上、１×１０１３／ｃｍ３以下である。また、半導体基板１０は、リン等のバルク・ドーパントを実質的に含まないノンドープ基板を用いてもよい。その場合、ノンドーピング基板のバルク・ドナー濃度は例えば１×１０１０／ｃｍ３以上、５×１０１２／ｃｍ３以下である。ノンドーピング基板のバルク・ドナー濃度は、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３以上である。ノンドーピング基板のバルク・ドナー濃度は、好ましくは５×１０１２／ｃｍ３以下である。
半導体基板１０は、上面２１および下面２３を有する。上面２１および下面２３は、半導体基板１０の２つの主面である。本明細書では、上面２１および下面２３と平行な面における直交軸をＸ軸およびＹ軸、上面２１および下面２３と垂直な軸をＺ軸とする。上面２１には、ＩＧＢＴのゲート構造が設けられてよい。ゲート構造とは、ゲート電極（例えば後述するゲート導電部４４）およびゲート絶縁膜４２を含む構造である。
半導体基板１０には、所定の深さ位置Ｚ１に、水素イオンが下面２３から注入されている。本明細書においては、下面２３からのＺ軸方向の距離を、深さ位置と称する場合がある。本明細書では、半導体基板１０の深さ方向における中央位置を、深さ位置Ｚｃとする。深さ位置Ｚ１は、下面２３からのＺ軸方向の距離がＺ１の位置である。本例の深さ位置Ｚ１は、２５μｍ以上である。本例の深さ位置Ｚ１は、半導体基板１０の上面２１側（深さ位置Ｚｃと上面２１との間の領域）に配置されている。深さ位置Ｚ１は、半導体基板１０の下面２３側（深さ位置Ｚｃと下面２３との間の領域）に配置されていてもよい。
深さ位置Ｚ１に水素イオンを注入するとは、水素イオンが半導体基板１０の内部を通過する平均距離（飛程とも称される）が、Ｚ１であることを指す。水素イオンは、所定の深さ位置Ｚ１に応じた加速エネルギーで加速されて、半導体基板１０の内部に導入される。同一の加速エネルギーで水素イオンを注入した場合でも、水素イオンの注入面（本例では下面２３）にアブソーバーを配置することで、水素イオンの注入位置を調整できる。
水素イオンが半導体基板１０の内部を通過した領域を通過領域とする。図１の例では、半導体基板１０の下面２３から、深さ位置Ｚ１までが通過領域である。一部の水素イオンは、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側まで半導体基板１０を通過する。所定の濃度の水素イオンが通過した領域を、通過領域としてよい。例えば所定の濃度は、深さ位置Ｚ１に注入された水素の化学濃度の半分の値であってよい。この場合、通過領域は、水素化学濃度分布の半値幅だけ、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側の領域を含む。水素イオンは、ＸＹ面における半導体基板１０の全面に注入されてよく、一部の領域だけに注入されてもよい。本例では、半導体基板１０の全面に水素イオンが注入されている。
半導体基板１０において水素イオンが通過した通過領域には、単原子空孔（Ｖ）、複原子空孔（ＶＶ）等の、空孔を主体とする格子欠陥が形成されている。空孔に隣接する原子は、ダングリング・ボンドを有する。格子欠陥には格子間原子や転位等も含まれ、広義ではドナーやアクセプタも含まれ得るが、本明細書では空孔を主体とする格子欠陥を空孔型格子欠陥、空孔型欠陥、あるいは単に格子欠陥と称する場合がある。空孔を主体とする格子欠陥は、電子および正孔のキャリアの再結合中心として機能する場合がある。再結合中心、空孔、および、格子欠陥は、互いに同様の分布を有してよい。また、半導体基板１０への水素イオン注入により、格子欠陥が多く形成されることで、半導体基板１０の結晶性が強く乱れることがある。本明細書では、この結晶性の乱れをディスオーダーと称する場合がある。
また、半導体基板１０の全体には酸素が含まれる。当該酸素は、半導体のインゴットの製造時において、意図的にまたは意図せずに導入される。また水素イオンを注入することで、通過領域には水素が含まれる。また、水素イオンを注入した後に半導体基板１０を熱処理（本明細書ではアニールと称する場合がある）することで、通過領域に水素イオンが拡散する。本例では、通過領域の全体に水素が分布している。
半導体基板１０に水素イオンが注入された後、半導体基板１０の内部には、水素（Ｈ）、空孔（Ｖ）および酸素（Ｏ）が結合し、ＶＯＨ欠陥が形成される。また、半導体基板１０をアニールすることで水素が拡散し、ＶＯＨ欠陥の形成が促進される。また、通過領域を形成した後にアニールすることで、水素が空孔と結合できるので、水素が下面２３から半導体基板１０の外部に放出されるのを抑制できる。
ＶＯＨ欠陥は、電子を供給するドナーとして機能する。本明細書では、ＶＯＨ欠陥を単に水素ドナーまたはドナーと称する場合がある。本例の半導体基板１０では、通過領域に水素ドナーが形成される。
また、水素イオンを所定の条件で注入することで、通過領域より更に上面２１側にも格子欠陥を形成できる。この場合、通過領域より更に上面２１側にも水素ドナーが形成される。特に、水素イオンを１．４ＭｅＶ以上の加速エネルギーで注入した場合に、通過領域よりも上面２１側に水素ドナーを形成しやすいことが、実験的に確認できている。深さ位置Ｚ１を２５μｍ以上とすることで、水素イオンの加速エネルギーは１．４ＭｅＶ以上になる。このため、深さ位置Ｚ１（または通過領域）よりも上面２１側に、水素ドナーを形成しやすくなる。
深さ位置Ｚ１は、上面２１を基準として、半導体基板１０の厚みの３／４以下の範囲に配置されていてよく、半導体基板１０の厚みの１／２以下の範囲に配置されていてよく、半導体基板１０の厚みの１／４以下の範囲に配置されていてもよい。深さ位置Ｚ１は、下面２３を基準として、半導体基板１０の厚みの１／４以下の範囲に配置されていてもよい。下面２３にアブソーバを配置することで、深さ位置Ｚ１と下面２３との距離が小さい場合でも、高い加速エネルギーで水素イオンを注入できる。
各位置における水素ドナーのドーピング濃度は、各位置における水素の化学濃度よりも低い。水素の化学濃度に対して、水素ドナー（ＶＯＨ欠陥）のドーピング濃度に対する水素の化学濃度の割合は、０．１％～３０％（すなわち０．００１以上、０．３以下）の値であってよい。本例では、水素ドナー（ＶＯＨ欠陥）のドーピング濃度に対する水素の化学濃度の割合は１％～５％である。なお、特に断りがなければ、本明細書では、水素の化学濃度分布に相似する分布を有するＶＯＨ欠陥も、通過領域の空孔欠陥の分布に相似するＶＯＨ欠陥も、水素ドナー、またはドナーとしての水素と称する。
半導体基板１０の通過領域に水素ドナーを形成することで、通過領域におけるドナー濃度を、バルク・ドナーのドーピング濃度（単に、バルク・ドナー濃度と称する場合がある）よりも高くできる。これにより、局所的なＮ型領域を容易に形成できる。また、水素イオンの飛程を大きくすることで通過領域をＺ軸方向に大きくすることができる。この場合、バルク・ドナーよりもドナー濃度が高い高濃度領域を、広範囲に形成できる。通常は、半導体基板１０に形成すべき素子の特性、特に定格電圧または耐圧に対応させて、所定のバルク・ドナー濃度を有する半導体基板１０を準備しなければならない。これに対して、通過領域を大きく形成する場合には、水素イオンのドーズ量を制御することで、半導体基板１０のドナー濃度を調整できる。このため、素子の特性等に対応していないバルク・ドナー濃度の半導体基板を用いて、半導体装置１００を製造できる。半導体基板１０の製造時におけるバルク・ドナー濃度のバラツキは比較的に大きいが、水素イオンのドーズ量は比較的に高精度に制御できる。このため、水素イオンを注入することで生じる格子欠陥の濃度も高精度に制御でき、通過領域のドナー濃度を高精度に制御できる。
図２は、図１のａ－ａ線に示した位置における、水素化学濃度、ドナー濃度、空孔密度、および、キャリアライフタイムの深さ方向の分布例を示している。本例のドナー濃度は、水素ドナーおよびバルク・ドナーの濃度である。図２は、深さ位置Ｚ１に水素イオンを注入し、アニールを行った後の各分布を示している。
図２の横軸は、下面２３からの深さ位置を示しており、縦軸は、単位体積当たりの化学濃度または密度を対数軸で示している。ただし、キャリアライフタイムのグラフにおける縦軸は、時間（秒）を示している。図２における化学濃度は、例えばＳＩＭＳ法で計測される。ドナー濃度は例えばＳＲ法で計測される。ＳＲ法で計測されたＮ型領域のキャリア密度をドナー濃度としてよい。図２においては、バルク・ドナー濃度Ｄｂを破線で示している。バルク・ドナー濃度Ｄｂは、半導体基板１０の全体で均一であってよい。本例の半導体基板１０は一例としてＭＣＺ基板である。
半導体基板１０の深さ位置Ｚ１には、水素ピーク２０１が設けられる。水素ピーク２０１は、深さ方向における水素化学濃度分布のピークである。水素ピーク２０１は、頂点２０２、上側裾２０３および下側裾２０４を有する。頂点２０２は、水素化学濃度が極大値を示す点である。頂点２０２の深さ位置をＺ１とする。下側裾２０４は、頂点２０２から半導体基板１０の下面２３に向かって、水素化学濃度が減少するスロープである。上側裾２０３は、頂点２０２から半導体基板１０の上面２１に向かって、水素化学濃度が減少するスロープである。本例では、下面２３から水素イオンを注入したので、頂点２０２から下面２３の間には、比較的に多くの水素イオンが存在する。上側裾２０３は、下側裾２０４よりも、水素化学濃度が急峻に減少してよい。
本例では、下面２３から深さ位置Ｚ１に水素イオンを注入している。上述したように、下面２３から深さ位置Ｚ１までの距離Ｚ１は２５μｍ以上である。距離Ｚ１は、３０μｍ以上であってよく、４０μｍ以上であってよく、５０μｍ以上であってよく、６０μｍ以上であってよく、７０μｍ以上であってよく、８０μｍ以上であってもよい。距離Ｚ１は、半導体基板１０の厚みの２５％以上であってよく、３０％以上であってよく、４０％以上であってよく、５０％以上であってよく、６０％以上であってよく、７０％以上であってよく、８０％以上であってもよい。距離Ｚ１は、半導体基板１０の厚みの１００％より小さい。距離Ｚ１は、半導体基板１０の厚みの９０％以下であってよく、８０％以下であってもよい。
また、深さ位置Ｚ１には、所定値以上のドーズ量で水素イオンを注入することが好ましい。所定値以上のドーズ量とすることで、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側に水素ドナーが形成しやすくなることが、実験的に確認されている。深さ位置Ｚ１に対する水素イオンのドーズ量は、１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよい。当該ドーズ量は、１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２より大きくてよく、１．５×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、２×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、３×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってもよい。ドーズ量は、１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であってよく、１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であってよく、１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であってもよい。
また、水素ピーク２０１の頂点２０２における水素化学濃度Ｈｐは、８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であってよく、１．２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であってよく、１．６×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であってよく、２．４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であってもよい。水素化学濃度Ｈｐは、８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってよく、８×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってよく、８×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってもよい。
なお、水素等の不純物ピークのドーズ量は、当該ピークの深さ方向における半値全幅の範囲で、当該不純物の化学濃度を積分した値を用いてもよい。あるいは、当該ピークのピーク濃度に半値全幅を乗じた値を、水素等の不純物ピークのドーズ量として用いてもよい。一方、当該ピークのピーク濃度に対して１０％となる値の幅を１０％全幅と定義する。水素等の不純物ピークのドーズ量を、当該ピークの深さ方向における１０％全幅の範囲で、当該不純物の化学濃度を積分した値を用いてもよい。図２の例では、水素ピーク２０１の半値全幅Ｗ２０１の範囲で水素化学濃度を積分した値を、水素ピーク２０１の水素ドーズ量としてよい。図２の例では、半値全幅Ｗ２０１の下端位置をＺ１ａ、上端位置をＺ１ｂとする。
半導体基板１０に水素イオンを注入してアニールすることで、下面２３から深さ位置Ｚ１近傍の通過領域には、水素ドナーが形成される。また、深さ位置Ｚ１を２５μｍ以上とすることで、水素イオンの加速エネルギーを高くして、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側まで水素ドナーが形成される。これにより、下面２３から深さ位置Ｚ２まで、バルク・ドナー濃度Ｄｂよりもドナー濃度が高い高濃度領域２０が形成される。深さ位置Ｚ２は、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側の位置である。深さ位置Ｚ１から深さ位置Ｚ２までの深さ方向の幅をＷ１とする。深さ位置Ｚ１を２５μｍ以上とすることで、高濃度領域２０が、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側に向かって延伸する延伸幅Ｗ１を大きくできる。本例の延伸幅Ｗ１は、４μｍ以上である。延伸幅Ｗ１は、８μｍ以上であってよく、１２μｍ以上であってよく、１６μｍ以上であってもよい。延伸幅Ｗ１は、深さ位置Ｚ１への水素イオンの加速エネルギーおよびドーズ量で調整できる。
高濃度領域２０は、半導体基板１０の深さ方向において、水素ピーク２０１と重なる位置を含む。つまり高濃度領域２０は、水素ピーク２０１の半値全幅Ｗ２０１の範囲の少なくとも一部を含む。下面２３から深さ位置Ｚ１ｂまでの領域において、ドナー濃度分布は、水素化学濃度分布と対応する形状を有してよい。例えばドナー濃度分布は、水素ピーク２０１と重なる位置に、ドナー濃度ピーク２２１を有してよい。
ドナー濃度ピーク２２１は、頂点２２２、上側裾２２３および下側裾２２４を有する。頂点２２２は、ドナー濃度が極大値を示す点である。頂点２２２の深さ位置はＺ１であってよい。下側裾２２４は、頂点２２２から半導体基板１０の下面２３に向かって、ドナー濃度が減少するスロープである。上側裾２２３は、頂点２２２から半導体基板１０の上面２１に向かって、ドナー濃度が減少するスロープである。上側裾２２３は、下側裾２２４よりも、ドナー濃度が急峻に減少してよい。
また、ドナー濃度分布は、ドナー濃度ピーク２２１よりも下面２３側に配置された下側平坦部２２６と、ドナー濃度ピーク２２１よりも上面２１側に配置された上側平坦部２２５とを有する。それぞれの平坦部は、深さ方向においてドナーがほぼ一定となる領域である。ほぼ一定とは、例えばドナーの変動幅が±５０％以内の状態である。上側平坦部２２５の深さ方向の長さは、１μｍ以上であってよく、２μｍ以上であってよく、４μｍ以上であってよく、８μｍ以上であってよく、１２μｍ以上であってよく、１６μｍ以上であってもよい。上側平坦部２２５よりも上面２１側には、ドリフト領域１８が設けられてよい。ドリフト領域１８は、深さ方向におけるドーピング濃度がほぼ一定となる領域である。ドリフト領域１８のドーピング濃度は、バルク・ドナー濃度Ｄｂであってよく、バルク・ドナー濃度Ｄｂより高くてもよい。
空孔密度分布は、空孔密度ピーク２３１を有してよい。本例の空孔密度分布は、水素ドナーとして機能する空孔欠陥と、水素ドナーとして機能していない空孔欠陥の両方を含む密度分布である。本例の空孔密度分布は、水素イオン注入後、且つ、アニール前の空孔密度分布とほぼ同様である。なお、アニール後において、水素ドナー化せずに残留した空孔密度の分布２３２を破線で示している。高い加速エネルギーで水素イオンを注入することで、空孔密度が、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側に分布しやすくなる。これにより、高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１を大きくできる。また、延伸幅Ｗ１を大きくすることで、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側のドナー濃度が、急峻に減少することを抑制できる。これにより、深さ位置Ｚ１の近傍に空乏層が到達した場合の、半導体装置１００の特性を向上できる。なお、本例のキャリアライフタイム分布は、深さ位置Ｚ１に明瞭なピークを有していない。アニール後にドナー化せずに残留する空孔密度の分布である空孔密度分布２３２の濃度は実質的に０でよく、空孔密度分布２３２は実質的に平坦であってよい。
図３は、ドナー濃度ピーク２２１の近傍のドナー濃度分布の拡大図である。本例では、ドナー濃度ピーク２２１の頂点２２２におけるドナー濃度をＰ１、ドリフト領域１８におけるドナー濃度をＰ２とし、ドナー濃度Ｐ１とＰ２の差分（すなわち、Ｐ１－Ｐ２）をＸ１とする。また、ドナー濃度Ｐ１とＰ２の差分の５％（すなわち、０．０５×（Ｐ１－Ｐ２））をＸ２とする。
本例では、頂点２２２から上面２１に向かって、ドナー濃度が初めてＰ２＋Ｘ２となる位置を、深さ位置Ｚ２とする。上述したように、深さ位置Ｚ２は、高濃度領域２０の上端位置である。高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１は、深さ位置Ｚ２と深さ位置Ｚ１との距離である。
また、深さ位置Ｚ１から深さ位置Ｚ２の間において、ドナーの変動幅が平均値の±５０％以内に収まる領域のうち、深さ方向の幅Ｗ２が最大となる領域を上側平坦部２２５とする。当該領域のドナー濃度の平均値を、上側平坦部２２５のドナー濃度Ｐ４とする。
深さ位置Ｚ１から下面２３の間において、幅Ｗ２に渡ってドナーの変動幅が平均値の±５０％以内に収まり、且つ、深さ位置Ｚ１に最も近い領域を下側平坦部２２６とする。当該領域のドナー濃度の平均値を、下側平坦部２２６のドナー濃度Ｐ３とする。ドナー濃度Ｐ４は、ドナー濃度Ｐ３の０．５倍以上、２倍以下であってよい。つまり、上側平坦部２２５のドナー濃度Ｐ４と、下側平坦部２２６のドナー濃度Ｐ３とは、ほぼ同一である。ドナー濃度Ｐ４は、ドナー濃度Ｐ３の０．７倍以上であってよく、０．９倍以上であってもよい。ドナー濃度Ｐ４は、ドナー濃度Ｐ３の１．３倍以下であってよく、１．１倍以下であってもよい。
図４Ａは、高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１と、水素イオンの加速エネルギーとの関係を測定した測定結果を示す図である。本例では、深さ位置Ｚ１に注入する水素イオンの加速エネルギーを、０．８ＭｅＶから２．３ＭｅＶの範囲で変更して、形成される高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１を測定した。また、水素イオンのドーズ量を、３．０×１０１１ｉｏｎｓ／ｃｍ２から１．０×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲で変更した。なお、水素イオンを注入した後に、３５０℃で５時間のアニールを行った。
図４Ｂは、図４Ａの水素イオンの加速エネルギーを、当該加速エネルギーで注入した水素イオンの飛程となるピーク位置に置き換えた図である。本例では、１．４ＭｅＶの加速エネルギーが２４μｍのピーク位置に対応し、１．８ＭｅＶの加速エネルギーが４０μｍのピーク位置に対応し、２．３ＭｅＶの加速エネルギーが５８μｍのピーク位置に対応する。
図５は、高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１と、水素イオンのドーズ量との関係を示す図である。図５では、水素イオンの加速エネルギー毎に、延伸幅Ｗ１とドーズ量との関係を示している。図５においては、加速エネルギーが２．３ＭｅＶ、１．８ＭｅＶ、１．４ＭｅＶの例を示しているが、加速エネルギーが１．４ＭｅＶより小さい場合は、加速エネルギーが１．４ＭｅＶの場合と同様の傾向が見られた。
図４Ａに示されるように、水素イオンの加速エネルギーが１．４ＭｅＶより大きくなると、高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１が特に大きくなる傾向が見られた。水素イオンの加速エネルギーは、１．４ＭｅＶより大きくてよく、１．４１ＭｅＶ以上であってよく、１．５ＭｅＶ以上であってよく、１．８ＭｅＶ以上であってよく、２．０ＭｅＶ以上であってもよい。
図４Ｂに示されるように、水素イオンのピーク位置が２４μｍより大きくなると、高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１が特に大きくなる傾向が見られた。水素イオンの加速エネルギーは、２４μｍより大きくてよく、２５μｍ以上であってよく、３０μｍ以上であってよく、４０μｍ以上であってよく、５０μｍ以上であってよく、６０μｍ以上であってもよい。
図４Ａ、図４Ｂおよび図５に示されるように、水素イオンのドーズ量が１．０×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上になると、延伸幅Ｗ１を大きくしやすくなる。特に、水素イオンのドーズ量が３．０×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上になると、延伸幅Ｗ１の増加が顕著である。水素イオンのドーズ量は、１．０×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、１．０×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２より大きくてよく、１．５×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、２．０×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、３．０×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってもよい。
特に、図５に示されるように、加速エネルギーが１．４ＭｅＶ以下（ピーク位置が２４μｍ以下）では幅Ｗ１はドーズ量の増加に対して減少し、１．４ＭｅＶよりも大きい場合（ピーク位置が２４μｍよりも大きい場合）では、幅Ｗ１はドーズ量の増加に対して臨界的に増加するようになる。よって、幅Ｗ１は、水素イオンの加速エネルギーが１．４ＭｅＶよりも大きいか、またはピーク位置が２４μｍよりも大きい場合に、増減の態様が臨界的に変化する特性を有する。
図６は、半導体装置１００の上面図の一例である。図６においては、各部材を半導体基板１０の上面に投影した位置を示している。図６においては、半導体装置１００の一部の部材だけを示しており、一部の部材は省略している。
半導体装置１００は、図１から図５において説明した半導体基板１０を備えている。半導体基板１０は、上面視において端辺１０２を有する。本明細書で単に上面視と称した場合、半導体基板１０の上面側から見ることを意味している。本例の半導体基板１０は、上面視において互いに向かい合う２組の端辺１０２を有する。図６においては、Ｘ軸およびＹ軸は、いずれかの端辺１０２と平行である。またＺ軸は、半導体基板１０の上面と垂直である。
半導体基板１０には活性部１６０が設けられている。活性部１６０は、半導体装置１００が動作した場合に半導体基板１０の上面と下面との間で、深さ方向に主電流が流れる領域である。活性部１６０の上方には、エミッタ電極が設けられているが図６では省略している。
本例の活性部１６０には、ＩＧＢＴを含むトランジスタ部７０と、ＦＷＤ等のダイオード素子を含むダイオード部８０が設けられている。図６の例では、トランジスタ部７０およびダイオード部８０は、半導体基板１０の上面における所定の配列方向（本例ではＸ軸方向）に沿って、交互に配置されている。他の例では、活性部１６０には、トランジスタ部７０だけが設けられていてもよい。
図６においては、トランジスタ部７０が配置される領域には記号「Ｉ」を付し、ダイオード部８０が配置される領域には記号「Ｆ」を付している。本明細書では、上面視において配列方向と垂直な方向を延伸方向（図６ではＹ軸方向）と称する場合がある。トランジスタ部７０およびダイオード部８０は、それぞれ延伸方向に長手を有してよい。つまり、トランジスタ部７０のＹ軸方向における長さは、Ｘ軸方向における幅よりも大きい。同様に、ダイオード部８０のＹ軸方向における長さは、Ｘ軸方向における幅よりも大きい。トランジスタ部７０およびダイオード部８０の延伸方向と、後述する各トレンチ部の長手方向とは同一であってよい。
ダイオード部８０は、半導体基板１０の下面と接する領域に、Ｎ＋型のカソード領域を有する。本明細書では、カソード領域が設けられた領域を、ダイオード部８０と称する。つまりダイオード部８０は、上面視においてカソード領域と重なる領域である。半導体基板１０の下面には、カソード領域以外の領域には、Ｐ＋型のコレクタ領域が設けられてよい。本明細書では、ダイオード部８０を、後述するゲート配線までＹ軸方向に延長した延長領域８１も、ダイオード部８０に含める場合がある。延長領域８１の下面には、コレクタ領域が設けられている。
トランジスタ部７０は、半導体基板１０の下面と接する領域に、Ｐ＋型のコレクタ領域を有する。また、トランジスタ部７０は、半導体基板１０の上面側に、Ｎ型のエミッタ領域、Ｐ型のベース領域、ゲート導電部およびゲート絶縁膜を有するゲート構造が周期的に配置されている。
半導体装置１００は、半導体基板１０の上方に１つ以上のパッドを有してよい。本例の半導体装置１００は、ゲートパッド１１２を有している。半導体装置１００は、アノードパッド、カソードパッドおよび電流検出パッド等のパッドを有してもよい。各パッドは、端辺１０２の近傍に配置されている。端辺１０２の近傍とは、上面視における端辺１０２と、エミッタ電極との間の領域を指す。半導体装置１００の実装時において、各パッドは、ワイヤ等の配線を介して外部の回路に接続されてよい。
ゲートパッド１１２には、ゲート電位が印加される。ゲートパッド１１２は、活性部１６０のゲートトレンチ部の導電部に電気的に接続される。半導体装置１００は、ゲートパッド１１２とゲートトレンチ部とを接続するゲート配線を備える。図６においては、ゲート配線に斜線のハッチングを付している。
本例のゲート配線は、外周ゲート配線１３０と、活性側ゲート配線１３１とを有している。外周ゲート配線１３０は、上面視において活性部１６０と半導体基板１０の端辺１０２との間に配置されている。本例の外周ゲート配線１３０は、上面視において活性部１６０を囲んでいる。上面視において外周ゲート配線１３０に囲まれた領域を活性部１６０としてもよい。また、外周ゲート配線１３０は、ゲートパッド１１２と接続されている。外周ゲート配線１３０は、半導体基板１０の上方に配置されている。外周ゲート配線１３０は、アルミニウム等を含む金属配線であってよい。
活性側ゲート配線１３１は、活性部１６０に設けられている。活性部１６０に活性側ゲート配線１３１を設けることで、半導体基板１０の各領域について、ゲートパッド１１２からの配線長のばらつきを低減できる。
活性側ゲート配線１３１は、活性部１６０のゲートトレンチ部と接続される。活性側ゲート配線１３１は、半導体基板１０の上方に配置されている。活性側ゲート配線１３１は、不純物がドープされたポリシリコン等の半導体で形成された配線であってよい。
活性側ゲート配線１３１は、外周ゲート配線１３０と接続されてよい。本例の活性側ゲート配線１３１は、Ｙ軸方向の略中央で一方の外周ゲート配線１３０から他方の外周ゲート配線１３０まで、活性部１６０を横切るように、Ｘ軸方向に延伸して設けられている。活性側ゲート配線１３１により活性部１６０が分割されている場合、それぞれの分割領域において、トランジスタ部７０およびダイオード部８０がＸ軸方向に交互に配置されてよい。
また、半導体装置１００は、ポリシリコン等で形成されたＰＮ接合ダイオードである不図示の温度センス部や、活性部１６０に設けられたトランジスタ部の動作を模擬する不図示の電流検出部を備えてもよい。
本例の半導体装置１００は、活性部１６０と端辺１０２との間に、エッジ終端構造部９０を備える。本例のエッジ終端構造部９０は、外周ゲート配線１３０と端辺１０２との間に配置されている。エッジ終端構造部９０は、半導体基板１０の上面側の電界集中を緩和する。エッジ終端構造部９０は、複数のガードリング９２を有する。ガードリング９２は、半導体基板１０の上面と接するＰ型の領域である。ガードリング９２は、上面視において活性部１６０を囲んでいてよい。複数のガードリング９２は、外周ゲート配線１３０と端辺１０２との間において、所定の間隔で配置されている。外側に配置されたガードリング９２は、一つ内側に配置されたガードリング９２を囲んでいてよい。外側とは、端辺１０２に近い側を指し、内側とは、外周ゲート配線１３０に近い側を指す。複数のガードリング９２を設けることで、活性部１６０の上面側における空乏層を外側に伸ばすことができ、半導体装置１００の耐圧を向上できる。エッジ終端構造部９０は、活性部１６０を囲んで環状に設けられたフィールドプレートおよびリサーフのうちの少なくとも一つを更に備えていてもよい。
図７は、図６における領域Ｅの拡大図である。領域Ｅは、トランジスタ部７０、ダイオード部８０、および、活性側ゲート配線１３１を含む領域である。本例の半導体装置１００は、半導体基板１０の上面側の内部に設けられたゲートトレンチ部４０、ダミートレンチ部３０、ウェル領域１１、エミッタ領域１２、ベース領域１４およびコンタクト領域１５を備える。ゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０は、それぞれがトレンチ部の一例である。また、本例の半導体装置１００は、半導体基板１０の上面の上方に設けられたエミッタ電極５２および活性側ゲート配線１３１を備える。エミッタ電極５２および活性側ゲート配線１３１は互いに分離して設けられる。
エミッタ電極５２および活性側ゲート配線１３１と、半導体基板１０の上面との間には層間絶縁膜が設けられるが、図７では省略している。本例の層間絶縁膜には、コンタクトホール５４が、当該層間絶縁膜を貫通して設けられる。図７においては、それぞれのコンタクトホール５４に斜線のハッチングを付している。
エミッタ電極５２は、ゲートトレンチ部４０、ダミートレンチ部３０、ウェル領域１１、エミッタ領域１２、ベース領域１４およびコンタクト領域１５の上方に設けられる。エミッタ電極５２は、コンタクトホール５４を通って、半導体基板１０の上面におけるエミッタ領域１２、コンタクト領域１５およびベース領域１４と接触する。また、エミッタ電極５２は、層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通って、ダミートレンチ部３０内のダミー導電部と接続される。エミッタ電極５２は、Ｙ軸方向におけるダミートレンチ部３０の先端において、ダミートレンチ部３０のダミー導電部と接続されてよい。
活性側ゲート配線１３１は、層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通って、ゲートトレンチ部４０と接続する。活性側ゲート配線１３１は、Ｙ軸方向におけるゲートトレンチ部４０の先端部４１において、ゲートトレンチ部４０のゲート導電部と接続されてよい。活性側ゲート配線１３１は、ダミートレンチ部３０内のダミー導電部とは接続されない。
エミッタ電極５２は、金属を含む材料で形成される。図７においては、エミッタ電極５２が設けられる範囲を示している。例えば、エミッタ電極５２の少なくとも一部の領域はアルミニウムまたはアルミニウム‐シリコン合金、例えばＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ等の金属合金で形成される。エミッタ電極５２は、アルミニウム等で形成された領域の下層に、チタンやチタン化合物等で形成されたバリアメタルを有してよい。さらにコンタクトホール内において、バリアメタルとアルミニウム等に接するようにタングステン等を埋め込んで形成されたプラグを有してもよい。
ウェル領域１１は、活性側ゲート配線１３１と重なって設けられている。ウェル領域１１は、活性側ゲート配線１３１と重ならない範囲にも、所定の幅で延伸して設けられている。本例のウェル領域１１は、コンタクトホール５４のＹ軸方向の端から、活性側ゲート配線１３１側に離れて設けられている。ウェル領域１１は、ベース領域１４よりもドーピング濃度の高い第２導電型の領域である。本例のベース領域１４はＰ－型であり、ウェル領域１１はＰ＋型である。
トランジスタ部７０およびダイオード部８０のそれぞれは、配列方向に複数配列されたトレンチ部を有する。本例のトランジスタ部７０には、配列方向に沿って１以上のゲートトレンチ部４０と、１以上のダミートレンチ部３０とが交互に設けられている。本例のダイオード部８０には、複数のダミートレンチ部３０が、配列方向に沿って設けられている。本例のダイオード部８０には、ゲートトレンチ部４０が設けられていない。
本例のゲートトレンチ部４０は、配列方向と垂直な延伸方向に沿って延伸する２つの直線部分３９（延伸方向に沿って直線状であるトレンチの部分）と、２つの直線部分３９を接続する先端部４１を有してよい。図７における延伸方向はＹ軸方向である。
先端部４１の少なくとも一部は、上面視において曲線状に設けられることが好ましい。２つの直線部分３９のＹ軸方向における端部どうしを先端部４１が接続することで、直線部分３９の端部における電界集中を緩和できる。
トランジスタ部７０において、ダミートレンチ部３０はゲートトレンチ部４０のそれぞれの直線部分３９の間に設けられる。それぞれの直線部分３９の間には、１本のダミートレンチ部３０が設けられてよく、複数本のダミートレンチ部３０が設けられていてもよい。ダミートレンチ部３０は、延伸方向に延伸する直線形状を有してよく、ゲートトレンチ部４０と同様に、直線部分２９と先端部３１とを有していてもよい。図７に示した半導体装置１００は、先端部３１を有さない直線形状のダミートレンチ部３０と、先端部３１を有するダミートレンチ部３０の両方を含んでいる。
ウェル領域１１の拡散深さは、ゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０の深さよりも深くてよい。ゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０のＹ軸方向の端部は、上面視においてウェル領域１１に設けられる。つまり、各トレンチ部のＹ軸方向の端部において、各トレンチ部の深さ方向の底部は、ウェル領域１１に覆われている。これにより、各トレンチ部の当該底部における電界集中を緩和できる。
配列方向において各トレンチ部の間には、メサ部が設けられている。メサ部は、半導体基板１０の内部において、トレンチ部に挟まれた領域を指す。一例としてメサ部の上端は半導体基板１０の上面である。メサ部の下端の深さ位置は、トレンチ部の下端の深さ位置と同一である。本例のメサ部は、半導体基板１０の上面において、トレンチに沿って延伸方向（Ｙ軸方向）に延伸して設けられている。本例では、トランジスタ部７０にはメサ部６０が設けられ、ダイオード部８０にはメサ部６１が設けられている。本明細書において単にメサ部と称した場合、メサ部６０およびメサ部６１のそれぞれを指している。
それぞれのメサ部には、ベース領域１４が設けられる。メサ部において半導体基板１０の上面に露出したベース領域１４のうち、活性側ゲート配線１３１に最も近く配置された領域をベース領域１４－ｅとする。図７においては、それぞれのメサ部の延伸方向における一方の端部に配置されたベース領域１４－ｅを示しているが、それぞれのメサ部の他方の端部にもベース領域１４－ｅが配置されている。それぞれのメサ部には、上面視においてベース領域１４－ｅに挟まれた領域に、第１導電型のエミッタ領域１２および第２導電型のコンタクト領域１５の少なくとも一方が設けられてよい。本例のエミッタ領域１２はＮ＋型であり、コンタクト領域１５はＰ＋型である。エミッタ領域１２およびコンタクト領域１５は、深さ方向において、ベース領域１４と半導体基板１０の上面との間に設けられてよい。
トランジスタ部７０のメサ部６０は、半導体基板１０の上面に露出したエミッタ領域１２を有する。エミッタ領域１２は、ゲートトレンチ部４０に接して設けられている。ゲートトレンチ部４０に接するメサ部６０は、半導体基板１０の上面に露出したコンタクト領域１５が設けられていてよい。
メサ部６０におけるコンタクト領域１５およびエミッタ領域１２のそれぞれは、Ｘ軸方向における一方のトレンチ部から、他方のトレンチ部まで設けられる。一例として、メサ部６０のコンタクト領域１５およびエミッタ領域１２は、トレンチ部の延伸方向（Ｙ軸方向）に沿って交互に配置されている。
他の例においては、メサ部６０のコンタクト領域１５およびエミッタ領域１２は、トレンチ部の延伸方向（Ｙ軸方向）に沿ってストライプ状に設けられていてもよい。例えばトレンチ部に接する領域にエミッタ領域１２が設けられ、エミッタ領域１２に挟まれた領域にコンタクト領域１５が設けられる。
ダイオード部８０のメサ部６１には、エミッタ領域１２が設けられていない。メサ部６１の上面には、ベース領域１４およびコンタクト領域１５が設けられてよい。メサ部６１の上面においてベース領域１４－ｅに挟まれた領域には、それぞれのベース領域１４－ｅに接してコンタクト領域１５が設けられてよい。メサ部６１の上面においてコンタクト領域１５に挟まれた領域には、ベース領域１４が設けられてよい。ベース領域１４は、コンタクト領域１５に挟まれた領域全体に配置されてよい。
それぞれのメサ部の上方には、コンタクトホール５４が設けられている。コンタクトホール５４は、ベース領域１４－ｅに挟まれた領域に配置されている。本例のコンタクトホール５４は、コンタクト領域１５、ベース領域１４およびエミッタ領域１２の各領域の上方に設けられる。コンタクトホール５４は、ベース領域１４－ｅおよびウェル領域１１に対応する領域には設けられない。コンタクトホール５４は、メサ部６０の配列方向（Ｘ軸方向）における中央に配置されてよい。
ダイオード部８０において、半導体基板１０の下面と隣接する領域には、Ｎ＋型のカソード領域８２が設けられる。半導体基板１０の下面において、カソード領域８２が設けられていない領域には、Ｐ＋型のコレクタ領域２２が設けられてよい。図７においては、カソード領域８２およびコレクタ領域２２の境界を点線で示している。
カソード領域８２は、Ｙ軸方向においてウェル領域１１から離れて配置されている。これにより、比較的にドーピング濃度が高く、且つ、深い位置まで形成されているＰ型の領域（ウェル領域１１）と、カソード領域８２との距離を確保して、耐圧を向上できる。本例のカソード領域８２のＹ軸方向における端部は、コンタクトホール５４のＹ軸方向における端部よりも、ウェル領域１１から離れて配置されている。他の例では、カソード領域８２のＹ軸方向における端部は、ウェル領域１１とコンタクトホール５４との間に配置されていてもよい。
図８は、図７におけるｂ－ｂ断面の一例を示す図である。ｂ－ｂ断面は、エミッタ領域１２およびカソード領域８２を通過するＸＺ面である。本例の半導体装置１００は、当該断面において、半導体基板１０、層間絶縁膜３８、エミッタ電極５２およびコレクタ電極２４を有する。層間絶縁膜３８は、半導体基板１０の上面に設けられている。層間絶縁膜３８は、ホウ素またはリン等の不純物が添加されたシリケートガラス等の絶縁膜、熱酸化膜、および、その他の絶縁膜の少なくとも一層を含む膜である。層間絶縁膜３８には、図７において説明したコンタクトホール５４が設けられている。
エミッタ電極５２は、層間絶縁膜３８の上方に設けられる。エミッタ電極５２は、層間絶縁膜３８のコンタクトホール５４を通って、半導体基板１０の上面２１と接触している。コレクタ電極２４は、半導体基板１０の下面２３に設けられる。エミッタ電極５２およびコレクタ電極２４は、アルミニウム等の金属材料で形成されている。本明細書において、エミッタ電極５２とコレクタ電極２４とを結ぶ方向（Ｚ軸方向）を深さ方向と称する。
半導体基板１０は、Ｎ－型のドリフト領域１８を有する。ドリフト領域１８のドーピング濃度は、バルク・ドナー濃度と一致してよい。他の例では、ドリフト領域１８のドーピング濃度は、バルク・ドナー濃度より高くてもよい。ドリフト領域１８は、トランジスタ部７０およびダイオード部８０のそれぞれに設けられている。
トランジスタ部７０のメサ部６０には、Ｎ＋型のエミッタ領域１２およびＰ－型のベース領域１４が、半導体基板１０の上面２１側から順番に設けられている。ベース領域１４の下方にはドリフト領域１８が設けられている。メサ部６０には、Ｎ＋型の蓄積領域１６が設けられてもよい。蓄積領域１６は、ベース領域１４とドリフト領域１８との間に配置される。
エミッタ領域１２は半導体基板１０の上面２１に露出しており、且つ、ゲートトレンチ部４０と接して設けられている。エミッタ領域１２は、メサ部６０の両側のトレンチ部と接していてよい。エミッタ領域１２は、ドリフト領域１８よりもドーピング濃度が高い。
ベース領域１４は、エミッタ領域１２の下方に設けられている。本例のベース領域１４は、エミッタ領域１２と接して設けられている。ベース領域１４は、メサ部６０の両側のトレンチ部と接していてよい。
蓄積領域１６は、ベース領域１４の下方に設けられている。蓄積領域１６は、ドリフト領域１８よりもドーピング濃度が高いＮ＋型の領域である。ドリフト領域１８とベース領域１４との間に高濃度の蓄積領域１６を設けることで、キャリア注入促進効果（ＩＥ効果）を高めて、オン電圧を低減できる。蓄積領域１６は、各メサ部６０におけるベース領域１４の下面全体を覆うように設けられてよい。
ダイオード部８０のメサ部６１には、半導体基板１０の上面２１に接して、Ｐ－型のベース領域１４が設けられている。ベース領域１４の下方には、ドリフト領域１８が設けられている。メサ部６１において、ベース領域１４の下方に蓄積領域１６が設けられていてもよい。
トランジスタ部７０およびダイオード部８０のそれぞれにおいて、ドリフト領域１８よりも下面２３側にはＮ＋型の高濃度領域２０が設けられている。高濃度領域２０のドーピング濃度は、ドリフト領域１８のドーピング濃度よりも高い。高濃度領域２０は、図１から図５において説明した水素ピーク２０１、および、ドナー濃度ピーク２２１を含む。高濃度領域２０は、水素ピーク２０１以外の水素ピークを有してよく、ドナー濃度ピーク２２１以外のドナー濃度ピーク２４１を有していてもよい。本例の高濃度領域２０は、ドナー濃度ピーク２２１よりも下面２３側に配置された複数のドナー濃度ピーク２４１を有する。高濃度領域２０は、ベース領域１４の下端から広がる空乏層が、Ｐ＋型のコレクタ領域２２およびＮ＋型のカソード領域８２に到達することを防ぐフィールドストップ層として機能してよい。
トランジスタ部７０において、高濃度領域２０の下には、Ｐ＋型のコレクタ領域２２が設けられる。コレクタ領域２２のアクセプタ濃度は、ベース領域１４のアクセプタ濃度より高い。コレクタ領域２２は、ベース領域１４と同一のアクセプタを含んでよく、異なるアクセプタを含んでもよい。コレクタ領域２２のアクセプタは、例えばボロンである。
ダイオード部８０において、高濃度領域２０の下には、Ｎ＋型のカソード領域８２が設けられる。カソード領域８２のドナー濃度は、ドリフト領域１８のドナー濃度より高い。カソード領域８２のドナーは、例えば水素またはリンである。なお、各領域のドナーおよびアクセプタとなる元素は、上述した例に限定されない。コレクタ領域２２およびカソード領域８２は、半導体基板１０の下面２３に露出しており、コレクタ電極２４と接続している。コレクタ電極２４は、半導体基板１０の下面２３全体と接触してよい。エミッタ電極５２およびコレクタ電極２４は、アルミニウム等の金属材料で形成される。
半導体基板１０の上面２１側には、１以上のゲートトレンチ部４０、および、１以上のダミートレンチ部３０が設けられる。各トレンチ部は、半導体基板１０の上面２１から、ベース領域１４を貫通して、ドリフト領域１８に到達している。エミッタ領域１２、コンタクト領域１５および蓄積領域１６の少なくともいずれかが設けられている領域においては、各トレンチ部はこれらのドーピング領域も貫通して、ドリフト領域１８に到達している。トレンチ部がドーピング領域を貫通するとは、ドーピング領域を形成してからトレンチ部を形成する順序で製造したものに限定されない。トレンチ部を形成した後に、トレンチ部の間にドーピング領域を形成したものも、トレンチ部がドーピング領域を貫通しているものに含まれる。
上述したように、トランジスタ部７０には、ゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０が設けられている。ダイオード部８０には、ダミートレンチ部３０が設けられ、ゲートトレンチ部４０が設けられていない。本例においてダイオード部８０とトランジスタ部７０のＸ軸方向における境界は、カソード領域８２とコレクタ領域２２の境界である。
ゲートトレンチ部４０は、半導体基板１０の上面２１に設けられたゲートトレンチ、ゲート絶縁膜４２およびゲート導電部４４を有する。ゲートトレンチ部４０は、ゲート構造の一例である。ゲート絶縁膜４２は、ゲートトレンチの内壁を覆って設けられる。ゲート絶縁膜４２は、ゲートトレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成してよい。ゲート導電部４４は、ゲートトレンチの内部においてゲート絶縁膜４２よりも内側に設けられる。つまりゲート絶縁膜４２は、ゲート導電部４４と半導体基板１０とを絶縁する。ゲート導電部４４は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。
ゲート導電部４４は、深さ方向において、ベース領域１４よりも長く設けられてよい。当該断面におけるゲートトレンチ部４０は、半導体基板１０の上面２１において層間絶縁膜３８により覆われる。ゲート導電部４４は、ゲート配線に電気的に接続されている。ゲート導電部４４に所定のゲート電圧が印加されると、ベース領域１４のうちゲートトレンチ部４０に接する界面の表層に電子の反転層によるチャネルが形成される。
ダミートレンチ部３０は、当該断面において、ゲートトレンチ部４０と同一の構造を有してよい。ダミートレンチ部３０は、半導体基板１０の上面２１に設けられたダミートレンチ、ダミー絶縁膜３２およびダミー導電部３４を有する。ダミー導電部３４は、ゲートパッドとは異なる電極に接続されてよい。例えば、ゲートパッドとは異なる外部回路に接続する図示しないダミーパッドに、ダミー導電部３４を接続し、ゲート導電部４４とは異なる制御を行ってもよい。また、ダミー導電部３４をエミッタ電極５２に電気的に接続させてもよい。ダミー絶縁膜３２は、ダミートレンチの内壁を覆って設けられる。ダミー導電部３４は、ダミートレンチの内部に設けられ、且つ、ダミー絶縁膜３２よりも内側に設けられる。ダミー絶縁膜３２は、ダミー導電部３４と半導体基板１０とを絶縁する。ダミー導電部３４は、ゲート導電部４４と同一の材料で形成されてよい。例えばダミー導電部３４は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ダミー導電部３４は、深さ方向においてゲート導電部４４と同一の長さを有してよい。
本例のゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０は、半導体基板１０の上面２１において層間絶縁膜３８により覆われている。なお、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０の底部は、下側に凸の曲面状（断面においては曲線状）であってよい。
ダイオード部８０は、水素ピーク２０１（またはドナー濃度ピーク２２１）よりも上面２１側に配置され、深さ方向のキャリアライフタイム分布が極小値を示すライフタイム調整部２５０を有する。ライフタイム調整部２５０は、Ｘ軸方向において、ダイオード部８０の全体にわたって設けられてよい。ライフタイム調整部２５０は、深さ方向の空孔密度分布における空孔密度ピーク２５１を有する。ライフタイム調整部２５０を設けることで、例えば半導体装置１００のターンオフ時におけるダイオード部８０の逆回復時間を調整して、ターンオフ損失を低減できる。
ライフタイム調整部２５０は、トランジスタ部７０のうち、ダイオード部８０に接する領域にも設けられてよい。ライフタイム調整部２５０は、ゲートトレンチ部４０の下方には配置されなくてよい。ライフタイム調整部２５０は、トランジスタ部７０のゲートトレンチ部４０のうち、最もダイオード部８０側に位置するゲートトレンチ部４０の下部まで配置されてよい。
トランジスタ部７０は、ライフタイム調整部２５０と同一の深さ位置において、深さ方向のキャリアライフタイム分布が極小値を示さないライフタイム非調整部２６０を有する。ライフタイム非調整部２６０は、空孔密度ピーク２５１を有さない。ライフタイム調整部２５０は、ヘリウム等の荷電粒子を注入することで形成してよい。ライフタイム調整部２５０はヘリウムを有してよい。ライフタイム非調整部２６０におけるヘリウム濃度は、実質的に０であるか、または、ライフタイム調整部２５０におけるヘリウム濃度の１％以下である。ライフタイム調整部２５０の下面２３側に位置する高濃度領域２０は、ライフタイム非調整部２６０の下面２３側に位置する高濃度領域２０よりも、上面２１側に延伸してよい。つまり、ライフタイム調整部２５０の下面２３側に位置する高濃度領域２０は、ライフタイム非調整部２６０の下面２３側に位置する高濃度領域２０よりも、上面２１側に延伸した領域１９を有してよい。
図９は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、ヘリウム化学濃度、および空孔密度の深さ方向の分布例を示している。ｃ－ｃ線は、Ｚ軸と並行で、且つ、ライフタイム非調整部２６０を通過する線である。また、トランジスタ部７０に設けられた高濃度領域２０を、第１高濃度領域２０－１と称する。
第１高濃度領域２０－１は、図１から図５において説明した水素ピーク２０１、ドナー濃度ピーク２２１、上側平坦部２２５および下側平坦部２２６を有する。また、本例の第１高濃度領域２０－１は、ドナー濃度ピーク２２１よりも下面２３側に、ドナー濃度ピーク２４１－１、２４１－２、２４１－３、２４１－４を有する。それぞれのドナー濃度ピーク２４１は、水素ドナーのピークである。本例の第１高濃度領域２０－１は、水素ピーク２０１よりも下面２３側に、水素ピーク２７１－１、２７１－２、２７１－３、２７１－４を有する。それぞれの水素ピーク２７１は、対応するドナー濃度ピーク２４１と同一の深さ位置に配置されてよい。２つのピークが同一の深さ位置に配置されるとは、一方のピークの半値全幅の範囲に、他方のピークの頂点が配置されていることを指す。
複数のドナー濃度ピーク２４１は、半導体基板１０の下面２３側に配置されてよい。複数のドナー濃度ピーク２４１は、下面２３を基準として、半導体基板１０の厚みの１／４以内の領域に配置されてよい。少なくとも一つのドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１よりもドナー濃度が高くてよい。例えば最も下面２３に配置されたドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１のドナー濃度の２倍以上であってよく、５倍以上であってよく、１０倍以上であってもよい。複数のドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１よりもドナー濃度が低いものを含んでもよい。下面２３からの距離が大きいほうから選択される１つ以上のドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１よりもドナー濃度が低くてよい。いずれのドナー濃度ピーク２４１も、上側平坦部２２５よりもドナー濃度が高くてよい。
また、図８に示したゲートトレンチ部４０またはダミートレンチ部３０下端の深さ位置をＺｔとする。ライフタイム非調整部２６０と深さ方向において重なり、且つ、深さ位置がＺｔからＺ１までの領域には、ライフタイムキラーを形成するための電子線またはヘリウムイオン等の荷電粒子が通過していない。このため、深さ位置Ｚｔから深さ位置Ｚ１までの領域では、キャリアライフタイムが平坦、単調に増加、または、単調に減少していてよい。つまりキャリアライフタイム分布は、当該領域において谷またはピークを有さない。深さ位置ＺｔからＺ１までの領域におけるキャリアライフタイムの最小値は、水素ピーク２７１－１から水素ピーク２７１－４までの領域におけるキャリアライフタイムの最小値よりも大きい。深さ位置ＺｔからＺ１までの領域におけるキャリアライフタイムは、半導体基板１０におけるキャリアライフタイムの最大値の８０％以上であってよく、９０％以上であってもよい。深さ位置ＺｔからＺ１までの領域におけるキャリアライフタイムの変動幅は、当該領域におけるキャリアライフタイムの平均値に対して±２０％以下であってよい。また、深さ位置ＺｔからＺ１までの領域では、ヘリウム化学濃度がほぼ０であるか、ライフタイム調整部２５０におけるヘリウム化学濃度のピーク値の１％以下である。半導体基板１０におけるキャリアライフタイムは、１０μｓ以上であってよく、３０μｓ以上であってよい。半導体基板１０におけるキャリアライフタイムは、１０００μｓ以下であってよく、３００μｓ以下であってよく、１００μｓ以下であってよい。
なお、深さ位置ＺｔからＺ１までの領域において、空孔密度分布２３２（または再結合中心分布）は、上述したキャリアライフタイムと同様の分布を有してよい。例えば深さ位置Ｚｔから深さ位置Ｚ１までの領域において、空孔密度は、平坦、単調に増加、または、単調に減少していてよい。つまり空孔密度分布は、当該領域において谷またはピークを有さない。深さ位置ＺｔからＺ１までの領域において、空孔密度分布２３２の空孔密度は１×１０１３／ｃｍ３以下であってよく、１×１０１２／ｃｍ３以下であってよく、１×１０１１／ｃｍ３以下であってよい。空孔密度は、１×１０１３／ｃｍ３以下であれば、実質的に０であると言ってもよい。
半導体基板１０の深さ方向の中央部における空孔密度またはキャリアライフタイムと、第１高濃度領域２０－１における空孔密度またはキャリアライフタイムは、実質的に等しくてよい。第１高濃度領域２０－１における空孔密度またはキャリアライフタイムの値は、深さ方向における分布の平均値を用いてよい。２つのキャリアライフタイムの比が、０．８以上、１．２以下の場合に、実質的に等しいとしてよい。半導体基板１０の中央部は、ドリフト領域１８であってよく、第１高濃度領域２０－１であってよい。
半導体基板１０の下面２３からトレンチ部の下端位置Ｚｔまでの距離を第１距離Ｌ１とする。また、下面２３から深さ位置Ｚ１までの距離を第２距離Ｚ１とする。第２距離Ｚ１は、第１距離Ｌ１の０．３倍以上、０．８倍以下であってよい。第２距離Ｚ１を第１距離Ｌ１の０．３倍以上とすることで、水素イオンの加速エネルギーを高くして、延伸幅Ｗ１を大きくしやすくなる。第２距離Ｚ１は、第１距離Ｌ１の０．４倍以上であってよい。第２距離Ｚ１を第１距離Ｌ１の０．８倍以下とすることで、第１高濃度領域２０－１が、ベース領域１４まで到達することを抑制できる。第２距離Ｚ１は、第１距離Ｌ１の０．６倍以下であってよく、０．４５倍以下であってもよい。
図１０は、図８のｄ－ｄ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の分布例を示している。ｄ－ｄ線は、Ｚ軸と並行で、且つ、ライフタイム調整部２５０を通過する線である。また、ダイオード部８０に設けられた高濃度領域２０を、第２高濃度領域２０－２と称する。
本例の水素化学濃度分布は、図９に示した水素化学濃度分布と同様である。また、本例のドーピング濃度分布は、図９に示したドーピング濃度分布のコレクタ領域２２を、カソード領域８２に置き換えたものと同様である。
ダイオード部８０は、深さ位置Ｚｔと深さ位置Ｚ１との間の領域に、キャリアライフタイムが極小値を示すライフタイム調整部２５０を有する。本例のライフタイム調整部２５０は、ヘリウムを注入することで形成されている。ダイオード部８０は、ライフタイム調整部２５０と同一の深さ位置に、ヘリウムピーク２５２を有してよい。一方で、図９に示したライフタイム非調整部２６０においては、ヘリウムピーク２５２と同一の深さ位置のヘリウム化学濃度分布が平坦である。
ヘリウムイオンを、半導体基板１０の下面２３から注入した場合、ヘリウムイオンが通過した領域には、空孔等の格子欠陥が多く形成される。この場合のダイオード部８０は、トランジスタ部７０に比べて、深さ位置Ｚ１からヘリウム注入位置までの領域の空孔密度が高い。このため、第２高濃度領域２０－２が上面２１に向かって延伸する長さは、第１高濃度領域２０－１が上面２１に向かって延伸する長さよりも長い場合がある。すなわち、半導体基板１０の上面２１から下面２３に向かう深さ方向において、ダイオード部８０の空孔密度は、トランジスタ部７０の空孔密度より高い部分を有してよい。ただし、第１高濃度領域２０－１および第２高濃度領域２０－２のいずれも、延伸幅Ｗ１（図２参照）は４μｍ以上である。水素イオンの加速エネルギーを調整することで、荷電粒子が照射されていない領域でも、高濃度領域２０の延伸幅Ｗ１を４μｍ以上にできる。このため、トランジスタ部７０の上面２１側に不要なライフタイム調整部２５０を設けることなく、深さ方向に長い第１高濃度領域２０－１を形成できる。ダイオード部８０の上側平坦部２２５－ｄは、トランジスタ部７０の上側平坦部２２５－ｔよりも、上面２１側に延伸してよい。この場合、ヘリウムイオンを下面２３側から注入してよい。
図１１は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。本例の水素化学濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に１つの水素ピーク２７１を有する。また、本例のドーピング濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に１つのドナー濃度ピーク２４１を有する。他の分布は図９の例と同様である。水素ピーク２７１およびドナー濃度ピーク２４１と、下面２３との距離は、距離Ｚ１の半分以下であってよく、１／４以下であってもよい。
図１２は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。本例の水素化学濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に２つの水素ピーク２７１－１、２７１－２を有する。また、本例のドーピング濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に２つのドナー濃度ピーク２４１－１、２４１－２を有する。他の分布は図９の例と同様である。下面２３から最も離れて配置された水素ピーク２７１－２およびドナー濃度ピーク２４１－２と、下面２３との距離は、距離Ｚ１の半分以下であってよく、１／４以下であってもよい。
図１３は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。本例の水素化学濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に３つの水素ピーク２７１－１、２７１－２、２７１－３を有する。また、本例のドーピング濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に３つのドナー濃度ピーク２４１－１、２４１－２、２４１－３を有する。他の分布は図９の例と同様である。水素ピーク２７１－３およびドナー濃度ピーク２４１－３と、下面２３から最も離れて配置された下面２３との距離は、距離Ｚ１の半分以下であってよく、１／４以下であってもよい。
図１４は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。本例の水素化学濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に水素ピーク２７１を有さない。深さ位置Ｚ１から下面２３に向かって、水素化学濃度は単調に減少する。また、本例のドーピング濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に１つ以上のドナー濃度ピーク２４１を有する。いずれかのドナー濃度ピーク２４１は、水素ドナー以外のドナー（例えばリン）のピークである。図１４では、一つのドナー濃度ピーク２４１を有する例を示しているが、図９、図１２または図１３に示したように、複数のドナー濃度ピーク２４１が設けられてよい。この場合、下面２３に最も近いドナー濃度ピーク２４１が、リン等のドナーのピークであってよい。他のドナー濃度ピーク２４１は、水素ドナーのピークであってよい。
図１５は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。本例の水素化学濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に水素ピーク２７１を有さない。深さ位置Ｚ１から下面２３に向かって、水素化学濃度は単調に減少する。また、本例のドーピング濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域にドナー濃度ピーク２４１を有さない。深さ位置Ｚ１からコレクタ領域２２に向かって、ドーピング濃度は単調に減少してよい。本例においては、上面２１側から広がる空乏層がコレクタ領域２２に到達しないように、半導体基板１０の厚みを十分大きくすることが好ましい。また、下面２３から深さ位置Ｚ１までの距離は、８０μｍ以上であってよく、１００μｍ以上であってよく、１５０μｍ以上であってよく、２００μｍ以上であってもよい。他の分布は図９の例と同様である。
図１６は、半導体装置１００の製造方法の一例を示す図である。図１６では、半導体装置１００の製造工程のうち、一部の工程だけを示している。本例では、まず半導体装置１００の上面側構造を形成する（Ｓ１６００）。上面側構造は、半導体基板１０の中心Ｚｃよりも上側の構造の少なくとも一部を含む。上面側構造は、各トレンチ部、エミッタ領域１２、ベース領域１４、蓄積領域１６、コンタクト領域１５、層間絶縁膜３８、エミッタ電極５２およびゲート配線の少なくとも一つを含んでよい。
次に基板薄化段階Ｓ１６０２において、半導体基板１０の下面２３を研削して、半導体基板１０の厚みを調整する。Ｓ１６０２では、半導体装置１００が有するべき耐圧に応じて、半導体基板１０の厚みを調整する。
次に下面側領域形成段階Ｓ１６０４において、コレクタ領域２２を形成する。下面側領域形成段階Ｓ１６０４では、カソード領域８２も形成してよい。下面側領域形成段階Ｓ１６０４では、半導体基板１０の下面２３に所定の不純物を注入して、レーザー等で局所的にアニールすることで、コレクタ領域２２およびカソード領域８２を形成してよい。
次に水素注入段階Ｓ１６０６において、１．４ＭｅＶより大きい加速エネルギーで、半導体基板１０の下面２３から半導体基板１０に水素イオンを注入する。これにより、深さ位置Ｚ１において水素化学濃度が極大値を示す水素ピーク２０１を形成する。加速エネルギーは、１．４ＭｅＶより大きくてよく、１．５ＭｅＶ以上であってよく、１．８ＭｅＶ以上であってよく、２．０ＭｅＶ以上であってもよい。
水素注入段階Ｓ１６０６における水素ドーズ量は、１×１０１２／ｃｍ２以上であってよい。当該ドーズ量は、１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２より大きくてよく、１．５×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、２×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってよく、３×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってもよい。ドーズ量は、１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であってよく、１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であってよく、１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であってもよい。
また、高濃度領域２０が１つ以上の水素ピーク２７１を有する場合、水素注入段階Ｓ１６０６において、それぞれの水素ピーク２７１の位置に水素イオンを注入する。水素注入段階Ｓ１６０６では、水素ピークのうち、下面２３からの距離が大きい水素ピークから順番に水素イオンを注入してよい。他の例では、下面２３からの距離が小さい水素ピークから順番に水素イオンを注入してもよい。
次にアニール段階Ｓ１６０８において、半導体基板１０をアニールする。アニール段階Ｓ１６０８においては、アニール炉において半導体基板１０の全体をアニールしてよい。アニール段階Ｓ１６０８におけるアニール温度は、３００℃以上、４２０℃以下であってよい。アニール温度は、３５０℃以上であってよい。アニール温度は、３９０℃以下であってよい。本例のアニール温度は３７０℃である。アニール段階Ｓ１６０８におけるアニール時間は、０．５時間以上、１０時間以下である。アニール時間は３時間以上であってよい。アニール温度は７時間以下であってよい。本例のアニール温度は５時間である。アニール段階Ｓ１６０８により、水素ピーク２０１の頂点２０２から上面２１に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む高濃度領域２０を形成する。
また、ダイオード部８０にライフタイム調整部２５０を設ける場合、アニール段階Ｓ１６０８の後において、半導体基板１０にヘリウム等の荷電粒子を注入する。また、アニール段階Ｓ１６０８の後に、コレクタ電極２４を形成する。このような工程により、半導体装置１００を製造できる。
図１７は、半導体装置１００の製造方法の他の例を示す図である。本例では、図１６における水素注入段階Ｓ１６０６以降の工程に代えて、第１水素注入段階Ｓ１７００、第１アニール段階Ｓ１７０２、第２水素注入段階Ｓ１７０４および第２アニール段階Ｓ１７０６を備える。Ｓ１６００からＳ１６０４までの工程は同一である。
第１水素注入段階Ｓ１７００では、深さ位置Ｚ１に水素イオンを注入する。そして、第１アニール段階Ｓ１７０２において、半導体基板１０をアニールする。第１アニール段階Ｓ１７０２においては、アニール炉において半導体基板１０の全体をアニールしてよい。第１アニール段階Ｓ１７０２におけるアニール温度およびアニール時間は、図１６におけるアニール段階Ｓ１６０８と同様である。
次に第２水素注入段階Ｓ１７０４において、水素ピーク２７１を形成すべき位置に水素イオンを注入する。そして、第２アニール段階Ｓ１７０６において、半導体基板１０をアニールする。第２アニール段階Ｓ１７０６においては、アニール炉において半導体基板１０の全体をアニールしてよい。第２アニール段階Ｓ１７０６におけるアニール温度は、第１アニール段階Ｓ１７０２におけるアニール温度より低くてよい。当該アニール温度は、３００℃以上、４２０℃以下であってよい。本例のアニール温度は３６０℃である。また、第２アニール段階Ｓ１７０６におけるアニール時間は、第１アニール段階Ｓ１７０２におけるアニール時間と同一であってよい。当該アニール時間は、０．５時間以上、１０時間以下であってよい。本例のアニール時間は５時間である。
本例においても、ダイオード部８０にライフタイム調整部２５０を設ける場合、第２アニール段階Ｓ１７０６の後において、半導体基板１０にヘリウム等の荷電粒子を注入する。また、第２アニール段階Ｓ１７０６の後に、コレクタ電極２４を形成する。このような工程により、半導体装置１００を製造できる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・・半導体基板、１１・・・ウェル領域、１２・・・エミッタ領域、１４・・・ベース領域、１５・・・コンタクト領域、１６・・・蓄積領域、１８・・・ドリフト領域、１９・・・領域、２０・・・高濃度領域、２１・・・上面、２２・・・コレクタ領域、２３・・・下面、２４・・・コレクタ電極、２９・・・直線部分、３０・・・ダミートレンチ部、３１・・・先端部、３２・・・ダミー絶縁膜、３４・・・ダミー導電部、３８・・・層間絶縁膜、３９・・・直線部分、４０・・・ゲートトレンチ部、４１・・・先端部、４２・・・ゲート絶縁膜、４４・・・ゲート導電部、５２・・・エミッタ電極、５４・・・コンタクトホール、６０、６１・・・メサ部、７０・・・トランジスタ部、８０・・・ダイオード部、８１・・・延長領域、８２・・・カソード領域、９０・・・エッジ終端構造部、９２・・・ガードリング、１００・・・半導体装置、１０２・・・端辺、１１２・・・ゲートパッド、１３０・・・外周ゲート配線、１３１・・・活性側ゲート配線、１６０・・・活性部、２０１・・・水素ピーク、２０２・・・頂点、２０３・・・上側裾、２０４・・・下側裾、２２１・・・ドナー濃度ピーク、２２２・・・頂点、２２３・・・上側裾、２２４・・・下側裾、２２５・・・上側平坦部、２２６・・・下側平坦部、２３１・・・空孔密度ピーク、２３２・・・分布、２４１・・・ドナー濃度ピーク、２５０・・・ライフタイム調整部、２５１・・・空孔密度ピーク、２５２・・・ヘリウムピーク、２６０・・・ライフタイム非調整部、２７１・・・水素ピーク
なお、水素等の不純物ピークのドーズ量は、当該ピークの深さ方向における半値全幅の範囲で、当該不純物の化学濃度を積分した値を用いてもよい。あるいは、当該ピークのピーク濃度に半値全幅を乗じた値を、水素等の不純物ピークのドーズ量として用いてもよい。一方、当該ピークのピーク濃度に対して１０％となる値の幅を１０％全幅と定義する。水素等の不純物ピークのドーズ量は、当該ピークの深さ方向における１０％全幅の範囲で、当該不純物の化学濃度を積分した値を用いてもよい。図２の例では、水素ピーク２０１の半値全幅Ｗ２０１の範囲で水素化学濃度を積分した値を、水素ピーク２０１の水素ドーズ量としてよい。図２の例では、半値全幅Ｗ２０１の下端位置をＺ１ａ、上端位置をＺ１ｂとする。
また、ドナー濃度分布は、ドナー濃度ピーク２２１よりも下面２３側に配置された下側平坦部２２６と、ドナー濃度ピーク２２１よりも上面２１側に配置された上側平坦部２２５とを有する。それぞれの平坦部は、深さ方向においてドナー濃度がほぼ一定となる領域である。ほぼ一定とは、例えばドナー濃度の変動幅が±５０％以内の状態である。上側平坦部２２５の深さ方向の長さは、１μｍ以上であってよく、２μｍ以上であってよく、４μｍ以上であってよく、８μｍ以上であってよく、１２μｍ以上であってよく、１６μｍ以上であってもよい。上側平坦部２２５よりも上面２１側には、ドリフト領域１８が設けられてよい。ドリフト領域１８は、深さ方向におけるドーピング濃度がほぼ一定となる領域である。ドリフト領域１８のドーピング濃度は、バルク・ドナー濃度Ｄｂであってよく、バルク・ドナー濃度Ｄｂより高くてもよい。
複数のドナー濃度ピーク２４１は、半導体基板１０の下面２３側に配置されてよい。複数のドナー濃度ピーク２４１は、下面２３を基準として、半導体基板１０の厚みの１／４以内の領域に配置されてよい。少なくとも一つのドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１よりもドナー濃度が高くてよい。例えば最も下面２３側に配置されたドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１のドナー濃度の２倍以上であってよく、５倍以上であってよく、１０倍以上であってもよい。複数のドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１よりもドナー濃度が低いものを含んでもよい。下面２３からの距離が大きいほうから選択される１つ以上のドナー濃度ピーク２４１は、ドナー濃度ピーク２２１よりもドナー濃度が低くてよい。いずれのドナー濃度ピーク２４１も、上側平坦部２２５よりもドナー濃度が高くてよい。
図１３は、図８のｃ－ｃ線に示した位置における、水素化学濃度、ドーピング濃度、キャリアライフタイム、および、ヘリウム化学濃度の深さ方向の他の分布例を示している。本例の水素化学濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に３つの水素ピーク２７１－１、２７１－２、２７１－３を有する。また、本例のドーピング濃度分布は、下面２３から深さ位置Ｚ１までの領域に３つのドナー濃度ピーク２４１－１、２４１－２、２４１－３を有する。他の分布は図９の例と同様である。水素ピーク２７１－３およびドナー濃度ピーク２４１－３と、下面２３との距離は、距離Ｚ１の半分以下であってよく、１／４以下であってもよい。
次にアニール段階Ｓ１６０８において、半導体基板１０をアニールする。アニール段階Ｓ１６０８においては、アニール炉において半導体基板１０の全体をアニールしてよい。アニール段階Ｓ１６０８におけるアニール温度は、３００℃以上、４２０℃以下であってよい。アニール温度は、３５０℃以上であってよい。アニール温度は、３９０℃以下であってよい。本例のアニール温度は３７０℃である。アニール段階Ｓ１６０８におけるアニール時間は、０．５時間以上、１０時間以下である。アニール時間は３時間以上であってよい。アニール時間は７時間以下であってよい。本例のアニール時間は５時間である。アニール段階Ｓ１６０８により、水素ピーク２０１の頂点２０２から上面２１に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む高濃度領域２０を形成する。

Claims (11)

  1. ＩＧＢＴが設けられた半導体装置であって、
    上面および下面を有し、全体にバルク・ドナーが分布した半導体基板と、
    水素化学濃度が極大値を示し、前記半導体基板の前記下面から深さ方向に２５μｍ以上離れて配置された頂点、前記頂点から前記上面に向かって前記水素化学濃度が減少する上側裾、および、前記頂点から前記下面に向かって前記上側裾よりも緩やかに前記水素化学濃度が減少する下側裾を含む水素ピークと、
    バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、前記水素ピークの前記頂点から前記上面に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む第１高濃度領域と
    を備える半導体装置。
  2. 前記半導体基板の中央部における空孔濃度またはキャリアライフタイムと、前記第１高濃度領域における空孔濃度またはキャリアライフタイムは、実質的に等しい
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体基板の前記上面に設けられたトレンチ部を更に備え、
    前記トレンチ部の下端から前記水素ピークまでの領域において、キャリアライフタイムが平坦、単調に増加、または、単調に減少している
    請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記トレンチ部の下端は、前記下面から第１距離だけ離れて配置され、
    前記水素ピークと前記下面との第２距離が、前記第１距離の０．３倍以上、０．８倍以下である
    請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記水素ピークと同一の深さ位置に設けられ、深さ方向のドナー濃度分布がピークを示すドナー濃度ピークと、
    前記ドナー濃度ピークよりも前記半導体基板の上面側に配置され、深さ方向のドナー濃度分布が平坦な上側平坦部と、
    前記ドナー濃度ピークよりも前記半導体基板の下面側に配置され、深さ方向のドナー濃度分布が平坦な下側平坦部と
    を更に備え、
    前記上側平坦部のドナー濃度が、前記下側平坦部のドナー濃度の０．５倍以上、２倍以下である
    請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記水素ピークが、前記半導体基板の上面側に配置されている
    請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体基板は、前記ＩＧＢＴが設けられたトランジスタ部と、ダイオードが設けられたダイオード部とを有し、
    前記ダイオード部は、前記水素ピークよりも前記上面側に配置され、深さ方向のキャリアライフタイム分布が極小値を示すライフタイム調整部を有し、
    前記トランジスタ部は、前記ダイオード部の前記ライフタイム調整部と同一の深さ位置において、前記キャリアライフタイム分布が極小値を示さないライフタイム非調整部を有し、
    前記ライフタイム非調整部と深さ方向で重なる領域に、前記水素ピークおよび前記第１高濃度領域が設けられている
    請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記ライフタイム調整部は、深さ方向のヘリウム化学濃度分布がピークを示すヘリウムピークを有し、
    前記ライフタイム非調整部は、前記ヘリウムピークと同一の深さ位置において、前記ヘリウム化学濃度分布が平坦である
    請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記ダイオード部は、
    前記水素ピークと、
    前記バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、前記水素ピークから前記上面に向かって延伸した領域を含む第２高濃度領域と
    を有し、
    前記第２高濃度領域が前記上面に向かって延伸する長さは、前記第１高濃度領域が前記上面に向かって延伸する長さよりも長い
    請求項７または８に記載の半導体装置。
  10. 上面および下面を有し、全体にバルク・ドナーが分布した半導体基板を備え、ＩＧＢＴが設けられる半導体装置の製造方法であって、
    １．４ＭｅＶより大きい加速エネルギーで前記下面から前記半導体基板に水素イオンを注入して、水素化学濃度が極大値を示す水素ピークを形成する水素注入段階と、
    前記半導体基板をアニールして、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高く、前記水素ピークの頂点から前記上面に向かって４μｍ以上延伸した領域を含む第１高濃度領域を形成するアニール段階と
    を備える製造方法。
  11. 前記水素注入段階における前記水素イオンのドーズ量が、１×１０１２／ｃｍ２以上である
    請求項１０に記載の製造方法。
JP2021066101A 2021-04-08 2021-04-08 半導体装置および製造方法 Pending JP2022161357A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021066101A JP2022161357A (ja) 2021-04-08 2021-04-08 半導体装置および製造方法
US17/703,934 US20220328313A1 (en) 2021-04-08 2022-03-24 Semiconductor device and manufacturing method
CN202210347147.2A CN115207114A (zh) 2021-04-08 2022-04-01 半导体装置和制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021066101A JP2022161357A (ja) 2021-04-08 2021-04-08 半導体装置および製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022161357A true JP2022161357A (ja) 2022-10-21

Family

ID=83510991

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021066101A Pending JP2022161357A (ja) 2021-04-08 2021-04-08 半導体装置および製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220328313A1 (ja)
JP (1) JP2022161357A (ja)
CN (1) CN115207114A (ja)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016204227A1 (ja) * 2015-06-17 2016-12-22 富士電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20220328313A1 (en) 2022-10-13
CN115207114A (zh) 2022-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11824095B2 (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP7268743B2 (ja) 半導体装置
JP2021182614A (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7272454B2 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7215599B2 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
US20230039920A1 (en) Semiconductor device
JP7222435B2 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
US12087827B2 (en) Semiconductor device
WO2022196768A1 (ja) 半導体装置
US20220216056A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
WO2022102711A1 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7323049B2 (ja) 半導体装置および半導体装置を備えた電力変換装置
JP2023119676A (ja) 半導体装置
JP2022161357A (ja) 半導体装置および製造方法
US20230144542A1 (en) Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device
JP7279806B2 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP7231066B2 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
US20220216055A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
US20230038712A1 (en) Semiconductor device
US20220085166A1 (en) Semiconductor apparatus and manufacturing method of semiconductor apparatus
WO2023145805A1 (ja) 半導体装置および製造方法
US20240030322A1 (en) Semiconductor apparatus, and manufacturing method thereof
WO2023063412A1 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
US20240266389A1 (en) Semiconductor device
WO2024128072A1 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220221

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240313