JP3282550B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，厚さ方向の電流を
スイッチング制御する半導体装置およびその製造方法に
関する。さらに詳細には，オン抵抗の上昇を抑制しつつ
ターンオフ応答を改善した半導体装置およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から，バイポーラトランジスタと電
界効果トランジスタとを一体化させた，いわゆる絶縁ゲ
ート型バイポーラトランジスタ（以下，「ＩＧＢＴ」と
いう）が，高入力インピーダンスと低出力インピーダン
スとを要求される用途に使用されている。

【０００３】ＩＧＢＴの一般的構造を，図１５により説
明する。図１５に示す一般的なＩＧＢＴは，ｐ⁺ 型のシ
リコン（Ｓｉ）基板２０１上のｎエピタキシャル層２０
２を有し，このｎエピタキシャル層２０２の表面に，イ
オン注入等により形成されたｎ⁺ソース領域２０６とｐ
ボディ領域２０７とｐ⁺ボディ領域２０９とを有してい
る。ｎエピタキシャル層２０２のうちｐボディ領域２０
７等でない部分がｎドリフト領域２０２ｄである。そし
てｎエピタキシャル層２０２の表面上には，ゲート絶縁
膜２０３，絶縁膜２０５および２０８によりｎエピタキ
シャル層２０２に対して絶縁されたゲート電極２０４が
設けられている。ゲート電極２０４は，ｎエピタキシャ
ル層２０２の表面のうちｎドリフト領域２０２ｄの部分
と，ｐボディ領域２０７の部分と，ｎ⁺ ソース領域２０
６の一部とを覆っている。また，表面側には，ｎ⁺ソー
ス領域２０６およびｐ⁺ボディ領域２０９に対して導通
をとるソース電極２１０が設けられている。裏面側に
は，ｐ⁺ 基板２０１に対して導通をとるドレイン電極２
１１が設けられている。

【０００４】この構造のＩＧＢＴにおいて，ゲート電極
２０４とｎ⁺ ソース領域２０６とｐボディ領域２０７と
ｎドリフト領域２０２ｄとが電界効果トランジスタを構
成する。すなわち，ｐボディ領域２０７がチャネル領域
であり，ｎドリフト領域２０２ｄがドレイン領域であ
る。そして，ｐ⁺ ボディ領域２０９とｎドリフト領域２
０２ｄとｐ⁺ 基板２０１とがバイポーラトランジスタ
（ｐｎｐ）を構成する。すなわち，ｐ⁺ ボディ領域２０
９がコレクタであり，電界効果トランジスタのドレイン
領域を兼ねるｎドリフト領域２０２ｄがベースであり，
ｐ⁺ 基板２０１がエミッタである。

【０００５】この構造のＩＧＢＴの動作の大要は，ドレ
イン電極２１１からソース電極２１０への電流をゲート
電極２０４の電圧によりスイッチング制御することであ
る。すなわち，ゲート電極２０４に電圧が掛かっていな
い状態で，ソース電極２１０に対しドレイン電極２１１
が高電位になるように電圧を掛けても，ｐボディ領域２
０７およびｐ⁺ ボディ領域２０９とｎドリフト領域２０
２ｄとの間のｐｎ接合が逆方向となるので電流は流れな
い。しかしゲート電極２０４に正電圧（ｖｓソース電極
２１０）を印加すると，ｐボディ領域２０７の表面にｎ
チャネルが形成され，電界効果トランジスタがオン状態
となる。このため，ｎ⁺ ソース領域２０６からｎチャネ
ルを経由してｎドリフト領域２０２ｄに電子が流れ込
む。これによりｎドリフト領域２０２ｄのキャリア（電
子）濃度が上昇して抵抗が下がるので，ｎドリフト領域
２０２ｄとｐ⁺ 基板２０１とからなるダイオードが導通
してｐ⁺ 基板２０１からｎドリフト領域２０２ｄにホー
ル（正孔）が注入される。このためバイポーラトランジ
スタがオンしてドレイン電極２１１からソース電極２１
０へ厚さ方向の電流が流れるのである。

【０００６】ここで，ゲート電極２０４の正電圧を切る
とＩＧＢＴはオフ状態に戻るのであるが，オン状態での
ｎドリフト領域２０２ｄには電子とホールとがともに高
濃度に充満しており，ゲート電圧のオフによりｎ⁺ ソー
ス領域２０６からの電子の注入が断たれてもｎドリフト
領域２０２ｄのキャリア濃度は直ちには減少しない。こ
のためＩＧＢＴのスイッチオフ時の過渡特性は，図１７
のグラフに破線で示すようにスイッチオフ後直ちには電
流が立ち下がらないものとなる。したがってターンオフ
時間が長いという問題があり，この点を改善しようとす
る技術が従来から提案されている。

【０００７】提案されているターンオフ時間短縮手段は
基本的には，重金属原子や格子欠陥等の再結合中心を高
濃度に分布させた領域をＩＧＢＴ内に設け，キャリアを
対消滅させることにより問題のキャリア濃度を早期に減
少させようとするものである。例えば特開昭６４−１９
７７１号公報に記載されたものでは，ＩＧＢＴの裏面側
（図１５ではｐ⁺ 基板２０１側）からプロトン照射を行
うことにより，ｎドリフト領域２０２ｄ内であってｐ⁺
基板２０１近傍の狭い範囲内に格子欠陥を分布させてい
る（図１６参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，前記公
報のように狭い範囲内に格子欠陥を分布させたＩＧＢＴ
では，ターンオフ時間の短縮は著しく不十分である。な
ぜなら，当該範囲以外の領域ではやはりキャリア濃度の
減少が遅いからである。このため，図１７のグラフに実
線で示すように，ターンオフの最終部分で電流の収束が
遅れてしまう。また，格子欠陥分布領域が狭いため，製
造工程のばらつき等によりその形成位置がずれると素子
特性にも大きく影響してしまうという問題もある。格子
欠陥分布領域をｐ⁺ 基板２０１内に設けても同様であ
る。なお，プロトンのようなイオンを照射する代わりに
電子線照射を用いると，半導体全体にわたって広く格子
欠陥を分布させることができターンオフ時間の短縮は十
分となるが（特開平３−２７２１８４号公報），電界効
果トランジスタの部分にも格子欠陥が分布することから
オン抵抗が上昇してしまう。

【０００９】本発明は，従来の半導体装置が有する前記
のような問題点を解決するためになされたものである。
すなわち，オン抵抗の上昇を伴うことなくターンオフ時
間を十分に短縮した半導体装置を，その製造方法ととも
に提供することを技術的課題とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題の解決を目的と
してなされた請求項１の発明は，半導体層の表面側にス
イッチング素子を設け，このスイッチング素子のオンオ
フにより前記半導体層の厚さ方向の電流をスイッチング
制御する半導体装置であって，前記半導体層の一部に設
けられ，前記スイッチング素子を含まず，他の部分より
も高い格子欠陥濃度を有する欠陥領域と，スイッチオフ
後に空乏化せず，前記欠陥領域に包含される非空乏化層
とを有し，前記欠陥領域における格子欠陥濃度の半値幅
が前記非空乏化層の厚さより大きく，前記非空乏化層
が，キャリアのライフタイムを短縮しターンオフ時間を
縮めるのに十分な格子欠陥濃度を有することを特徴とし
て特定される。

【００１１】この半導体装置では，スイッチング素子が
オンして半導体層の厚さ方向の電流が流れている状態か
らスイッチング素子をオフしたときに空乏化しない部分
全体に，他の部分よりも高い濃度で格子欠陥が分布して
いる。このためこの部分でのキャリアのライフタイムが
短い。したがって，オフ後にこの部分のキャリア濃度が
速やかに減少し，電流が早期に０に収束する。その一方
で，スイッチング素子の部分における格子欠陥濃度は他
の部分よりも特に高くないので，オン抵抗が低くオン動
作時の特性に優れている。ここで，半導体層における格
子欠陥の濃度分布は，実際にはガウス分布やローレンツ
分布等の濃度が連続的に変化するものであるので，濃度
の半値幅をなす範囲が非空乏化層より広いようにすれば
よい。

【００１２】また，請求項２の発明は，請求項１に記載
する半導体装置であって，前記半導体層の厚さ方向にエ
ミッタ，ベース，コレクタが配置されたバイポーラトラ
ンジスタを有し，前記スイッチング素子は，オンするこ
とにより前記バイポーラトランジスタのベースにキャリ
アを注入する電界効果トランジスタであり，前記欠陥領
域は，前記ベースのうち前記エミッタ近傍のスイッチオ
フ後に空乏化しない部分全体を包含することを特徴とす
る。

【００１３】この半導体装置は，いわゆる絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。このＩＧ
ＢＴでは，オン状態では電界効果トランジスタからバイ
ポーラトランジスタのベースにキャリアが注入され，こ
れによりベースのキャリア濃度が上昇してバイポーラト
ランジスタが導通し，電流が流れている。電界効果トラ
ンジスタがスイッチオフされると，バイポーラトランジ
スタのベース，コレクタ間のｐｎ接合から空乏層が広が
ってゆくが，ベースの中のエミッタ近傍の部分に空乏化
しない領域が欠陥領域に含まれており，この部分のキャ
リアは速やかに消滅する。このため電流が早期に０に収
束し，ターンオフ応答に優れる。その一方で，電界効果
トランジスタの部分における格子欠陥濃度は他の部分よ
りも特に高くないので，オン抵抗が低くオン動作時の特
性に優れている。

【００１４】また，請求項３の発明は，表面側にスイッ
チング素子を設けた半導体層に，他の部分よりも格子欠
陥濃度が高い欠陥領域を，スイッチオフしたときに空乏
化しない部分全体を包含し，かつ，前記スイッチング素
子を含まないように形成した構造の半導体装置を製造す
る方法であって，前記半導体層に対し照射マスクを介し
てイオン照射を行うことにより前記欠陥領域を形成し，
前記照射マスクとして，２水準以上の吸収能を有すると
ともに，吸収能が異なる場所が交互に設けられ，照射さ
れたイオンの半導体内での分布の半値幅が前記電流をオ
フしたときに空乏化しない部分の厚さ以上となるように
されているものを用いることを特徴として特定される。

【００１５】この製造方法では，表面側にスイッチング
素子を設けた半導体層に対し，照射マスクを介してイオ
ン照射を行うことにより欠陥領域を形成する。その際の
照射マスクとしては，場所により２水準以上の吸収能
（例えば厚さの違いによる）を有し，吸収能が異なる場
所が交互に設けられたものを使用する。照射マスクの吸
収能に場所による相違があることにより，半導体層中に
おけるイオンの到達位置の分布の半値幅が広がるので，
１回のイオン照射で，また極端な高エネルギーを要さ
ず，スイッチオフしたときに空乏化しない部分全体を包
含する欠陥領域を形成することができる。なお，欠陥領
域の形成は，半導体層にスイッチング素子を形成する前
に行ってもよい。

【００１６】このときの照射のエネルギーを，スイッチ
ング素子が欠陥領域に含まれないように調整して照射す
れば，請求項１に記載する半導体装置が製造される。当
該半導体層が，厚さ方向にエミッタ，ベース，コレクタ
が配置されたバイポーラトランジスタを有し，スイッチ
ング素子が電界効果トランジスタであるものであれば，
請求項２に記載する半導体装置が製造される。なおイオ
ン照射は，半導体層の表面側と裏面側とのいずれから行
ってもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下，本発明を，図面に示す実施
の形態に基づいて詳細に説明する。本実施の形態は，プ
レーナ型のｎチャネルＩＧＢＴにおいて本発明を具体化
したものである。

【００１８】［構造］ （半導体層）本実施の形態に係るＩＧＢＴ１は，図１に
示す基本構造を有している。すなわち，高濃度ｐ型シリ
コンのｐ⁺ 基板１０１とその上に形成されたｎエピタキ
シャル層１０２とが半導体層１０をなす。この半導体層
１０において，ｎエピタキシャル層１０２の側（図１で
は上方）を表面側といい，ｐ⁺ 基板１０１の側（図１で
は下方）を裏面側というものとする。そして，半導体層
１０の表面側には，ｎ⁺ソース領域１０６とｐボディ領
域１０７とｐ⁺ボディ領域１０９とが形成されている。
これらは，ｎエピタキシャル層１０２の一部にイオン注
入等により形成された拡散層である。ｎエピタキシャル
層１０２のうちこれら拡散層以外の部分をｎドリフト領
域１０２ｄという。

【００１９】また，ｎドリフト領域１０２ｄとｐ⁺ 基板
１０１との界面付近には，格子欠陥を高濃度に分布させ
た欠陥領域１１２が形成されている。欠陥領域１１２
は，その大部分がｎドリフト領域１０２ｄであるが，一
部はｐ⁺ 基板１０１に及んでいる。ただしｐボディ領域
１０７等の拡散層には及んでいない。また，ｎドリフト
領域１０２ｄは，空乏化領域１０２ａと非空乏化領域１
０２ｂとに分けて考えることができる。これらは製造上
区別されているわけではないが，動作上の違いがあるか
らである。すなわち，詳細は後述するが，ＩＧＢＴ１を
スイッチオフした後にｎドリフト領域１０２ｄとｐボデ
ィ領域１０７およびｐ⁺ ボディ領域１０９との間のｐｎ
接合から空乏層が広がってくる範囲が空乏化領域１０２
ａであり，残りが非空乏化領域１０２ｂである。そし
て，非空乏化領域１０２ｂは，欠陥領域１１２に含まれ
ている。

【００２０】上記の構造の半導体層１０の，図１中Ｘ−
Ｘ線上における不純物濃度（細い実線）および格子欠陥
濃度（太い実線）を図２に示す。図２に示されるよう
に，格子欠陥濃度は連続的に変化しており，明確なステ
ップはない。図１に示した欠陥領域１１２の範囲は，格
子欠陥濃度が半値幅をなす範囲である。

【００２１】（電極，絶縁膜）次に，半導体層１０の表
面と裏面とに設けられている電極や絶縁膜等について説
明する。まず表面側には，電極としてゲート電極１０４
とソース電極１１０とが設けられ，そしてゲート電極１
０４を半導体層１０等から絶縁するためのゲート絶縁膜
１０３や絶縁膜１０５，１０８が設けられている。ゲー
ト電極１０４は，ｎエピタキシャル層１０２の表面う
ち，ｎドリフト領域１０２ｄの部分とｐボディ領域１０
７の部分との上方に存在し，さらにｎ⁺ ソース領域１０
６の一部の上方に及んでいる。このゲート電極１０４
は，ゲート絶縁膜１０３により半導体層１０から絶縁さ
れている。一方，ソース電極１１０は，ｎ⁺ ソース領域
１０６およびｐ⁺ ボディ領域１０９に接触し，これらに
電気的に導通するように設けられている。ゲート電極１
０４とソース電極１１０との間は，絶縁膜１０５，１０
８により絶縁されている。そして，ゲート電極１０４に
はゲート端子Ｇが，ソース電極１１０にはソース端子Ｓ
Ｃが，それぞれ設けられている。

【００２２】一方裏面側には，ｐ⁺ 基板１０１に接触し
てこれと電気的に導通するドレイン電極１１１が設けら
れている。そしてドレイン電極１１１には，ドレイン端
子ＤＥが設けられている。

【００２３】（素子構成）上記の構造を有するＩＧＢＴ
１において，ｐ⁺ ボディ領域１０９とｎドリフト領域１
０２ｄとｐ⁺ 基板１０１とがｐｎｐバイポーラトランジ
スタを構成する。すなわち，ｐ⁺ ボディ領域１０９がコ
レクタであり，ｎドリフト領域１０２ｄがベースであ
り，ｐ⁺基板１０１がエミッタである。また，ｎ⁺ソース
領域１０６とｐボディ領域１０７とｎドリフト領域１０
２ｄとゲート電極１０４とがｎチャネル電界効果トラン
ジスタを構成する。すなわち，ｐボディ領域１０７がチ
ャネル形成領域であり，ｎドリフト領域１０２ｄがドレ
インである。もちろん，ｎ⁺ ソース領域１０６がソース
であり，ゲート電極１０４がゲートである。したがって
ｎドリフト領域１０２ｄは，バイポーラトランジスタの
ベースと電界効果トランジスタのドレインを兼ねている
ことになる。

【００２４】［動作］次に，ＩＧＢＴ１の動作を説明す
る。ＩＧＢＴ１の基本的な動作は，絶縁ゲートであるゲ
ート電極１０４の電圧により，ドレイン電極１１１から
ソース電極１１０への電流，すなわち半導体層１０の厚
さ方向の電流をスイッチング制御することである。

【００２５】（オフ状態）まず，ゲート電極１０４に何
ら電圧が掛けられていない状態を考える。この状態で
は，電界効果トランジスタがオンしておらず，ドレイン
電極１１１とソース電極１１０との間の電流の流れ方に
対し影響を及ぼさない。したがって，ドレイン端子ＤＥ
とソース端子ＳＣとの間に，ドレイン端子ＤＥがより高
電位となる向きに電圧を印加して，ドレイン電極１１１
からソース電極１１０へ向けて電流を流そうとしても，
ｎドリフト領域１０２ｄとｐボディ領域１０７およびｐ
⁺ ボディ領域１０９との間のｐｎ接合が逆方向となるた
め，電流はほとんど流れない。すなわちバイポーラトラ
ンジスタがオフなのである。

【００２６】（オン状態）ここで，ゲート端子Ｇを用い
てゲート電極１０４に正電圧（ｖｓソース電極１１０）
を印加する（以下，ゲート電圧という）と，次のような
ことが起こる。まず，ゲート絶縁膜１０３を挟んでゲー
ト電極１０４と対面しているｐボディ領域１０７の表面
に，ゲート電圧の電界効果によるｎチャネルが生成され
る。このため，ｎ⁺ ソース領域１０６のキャリアである
電子がこのｎチャネルを通って，より電位の高いｎドリ
フト領域１０２ｄに流れ込む。すなわち電界効果トラン
ジスタがオンとなる。

【００２７】これによりｎドリフト領域１０２ｄ（空乏
化領域１０２ａ，非空乏化領域１０２ｂとも）の電子濃
度が上昇する。このため，ｎドリフト領域１０２ｄの抵
抗が小さくなるとともにその電位が下がるので，ｐ⁺ 基
板１０１のキャリアであるホールが，ｎドリフト領域１
０２ｄに引き込まれる。すなわちｎドリフト領域１０２
ｄとｐ⁺ 基板１０１とにより構成されるダイオードが導
通する。これによりｎドリフト領域１０２ｄは，電子濃
度ばかりでなくホール濃度も高い状態となる。ｎドリフ
ト領域１０２ｄに進入したホールは，一部が電子と対消
滅するほか，さらに電位が低いｐ⁺ ボディ領域１０９に
流れ込む。すなわちバイポーラトランジスタがオンする
のである。したがってドレイン電極１１１からソース電
極１１０へ厚さ方向の電流が流れる。

【００２８】すなわちＩＧＢＴ１においては，オン動作
に電子とホールとの双方が関与するバイポーラトランジ
スタ的な作用を基本としつつ，絶縁されているゲート電
極１０４の電圧によりオンオフが制御される。ここにお
いて，ゲート電圧により直接にオンオフされる電界効果
トランジスタが，バイポーラトランジスタの導通，不通
をスイッチングするスイッチング素子としての役割を果
たしている。また，半導体層１０のうち格子欠陥を高濃
度に分布させた欠陥領域１１２が，非空乏化領域１０２
ｂの付近に限られており，ｐボディ領域１０７等の拡散
層には及んでいないので，オン抵抗が高いということは
ない。

【００２９】（スイッチオフ）前記のようなオン状態か
らゲート電極１０４への正電圧の印加を断つと，ｐボデ
ィ領域１０７の表面のｎチャネルが消滅して，ｎドリフ
ト領域１０２ｄへの電子の注入が断たれるので，ＩＧＢ
Ｔ１はオフに戻る。その際の過渡動作を説明する。

【００３０】まずオン状態におけるｎドリフト領域１０
２ｄは，電子とホールとの双方が高濃度に充満している
状態にある。スイッチオフされると，電子の注入が断た
れることと，ホールがｐ⁺ボディ領域１０９に流出する
こととにより，ｐ⁺ボディ領域１０９およびｐボディ領
域１０７との界面のｐｎ接合から，キャリア濃度が非常
に低い空乏層が広がる。この空乏層の広がりは，ｎドリ
フト領域１０２ｄの中でも空乏化領域１０２ａには及ぶ
が非空乏化領域１０２ｂには及ばない。しかしながら非
空乏化領域１０２ｂは，前記のように欠陥領域１１２に
含まれており，格子欠陥濃度が高い。このためキャリア
のライフタイムが短く，電子とホールとは早期に対消滅
する。そして，電子の注入が断たれるとともにｐ⁺ 基板
１０１からのホールの流入も断たれているので，キャリ
ア濃度は対消滅により早期に低下する。

【００３１】したがってｎドリフト領域１０２ｄ全体に
おいて，スイッチオフ後早期にキャリア濃度が低下す
る。このため図３に示すように，ドレイン電極１１１か
らソース電極１１０への電流はスイッチオフ後早期に０
に収束する。すなわちターンオフ時間が短く，スイッチ
オフの応答性に優れている。

【００３２】［製造方法］次に，ＩＧＢＴ１の製造方法
を説明する。

【００３３】（エピタキシャル成長）ＩＧＢＴ１の製造
においては，シリコン基板として高濃度ｐ型の基板を使
用する。まず，よく洗浄したｐ⁺ 基板１０１上にエピタ
キシャル成長により，低濃度ｎ型シリコンの層を形成す
る。これにより図４に示すように，ｐ⁺ 基板１０１とｎ
エピタキシャル層１０２との積層体である半導体層１０
が形成される。このｐ⁺ 基板１０１は，ＩＧＢＴ１にお
いてバイポーラトランジスタのエミッタ領域となるもの
である。またｎエピタキシャル層１０２は，ｎドリフト
領域１０２ｄや拡散層となる部分である。

【００３４】（ゲート電極の形成）続いて，ｎエピタキ
シャル層１０２の表面に熱酸化膜を形成した後，ＣＶＤ
法により，多結晶シリコン膜，酸化シリコン膜を順次積
層する。多結晶シリコン膜には，導電性付与のためリン
（Ｐ）のような不純物を含有させておく。そして，熱酸
化膜を残しつつ，多結晶シリコン膜と酸化シリコン膜と
を所定形状にエッチングすると，図５に示すように，ゲ
ート電極１０４（多結晶シリコン膜）が形成される。ゲ
ート電極１０４は，ゲート絶縁膜１０３（熱酸化膜）に
よりｎエピタキシャル層１０２から絶縁されている。な
お絶縁膜１０５（酸化シリコン膜）は，ゲート電極１０
４と後に形成されるソース電極１１０との絶縁のための
ものである。

【００３５】（拡散層の形成）次に，ｎエピタキシャル
層１０２の一部に拡散層を形成する。最初に形成する拡
散層は，ｎ⁺ ソース領域１０６である。このため，ゲー
ト電極１０４の形成を行った半導体層１０に対し，上方
からヒ素（Ａｓ）等のドナー性の元素をイオン注入する
（図６参照）。すると，注入されたイオンが分布する範
囲は高濃度ｎ型となり，ｎ⁺ ソース領域１０６が形成さ
れる。ここで，絶縁膜１０５がマスクとなってイオンを
阻止しているので，ゲート電極１０４の下部には，縁辺
部を除いてｎ⁺ ソース領域１０６は，形成されない。縁
辺部には，ｎエピタキシャル層１０２内でのイオンの回
り込みにより，ｎ⁺ソース領域１０６が形成される。ｎ⁺
ソース領域１０６は，ＩＧＢＴ１において電界効果トラ
ンジスタのソースとなる部分である。

【００３６】次に形成する拡散層は，ｐボディ領域１０
７である。このため，ｎ⁺ ソース領域１０６の形成を行
った半導体層１０に対し，斜め上方からホウ素（Ｂ）等
のアクセプタ性の元素をイオン注入する（図７参照）。
このとき，注入されたイオンのｎエピタキシャル層１０
２内での飛程が，ｎ⁺ ソース領域１０６の形成のための
イオン注入の場合より大きく、例えば３〜５倍程度にな
るようにする。この飛程は大きければ大きいほどよい
が、大きくするためにはより大きなエネルギーを必要と
するため、実際的には３〜５倍程度が好ましい。そして
注入のドーズ量は，ｎ⁺ソース領域１０６の導電型を反
転させず，かつ，ｎ⁺ソース領域１０６以外のｎエピタ
キシャル層１０２の導電型をｐ型に反転させる程度とす
る。すると，注入されたイオンが分布する範囲であって
ｎ⁺ ソース領域１０６以外の範囲はｐ型となり，ｐボデ
ィ領域１０７が形成される。

【００３７】形成されたｐボディ領域１０７は，イオン
注入を斜め方向から行っているため，また，注入された
イオンの飛程がより大きいため，ｎ⁺ ソース領域１０６
の周囲全体を覆っている。このため，ｎ⁺ ソース領域１
０６とｎドリフト領域１０２ｄ（ｎエピタキシャル層１
０２のうち拡散層でない部分）とは直接接してはいな
い。また，ｐボディ領域１０７は，ｎ⁺ ソース領域１０
６の下部以外ではｎエピタキシャル層１０２の表面に臨
んでおり，その部分ではゲート絶縁膜１０３を挟んでゲ
ート電極１０４と対面している。この部分が，ＩＧＢＴ
１の電界効果トランジスタにおいてチャネルが形成され
る箇所である。

【００３８】続いて，ｐ⁺ ボディ領域１０９の形成が行
われる。このためまず，ｐボディ領域１０７の形成を行
った半導体層１０に対し，ＣＶＤ法により酸化シリコン
膜を堆積する。この堆積は等方的に行われるので，酸化
シリコンは，ゲート電極１０４および絶縁膜１０５の側
壁（図７中にＷで示す）にも付着する。このため，堆積
される酸化シリコン膜１０８は図８に示すような形状と
なる。そして，ゲート電極１０４から離れた箇所におい
てｎエピタキシャル層１０２（ｎ⁺ ソース領域１０６）
が露出するまで酸化シリコンを上方から異方性エッチン
グによりエッチバックすると，図９に示すような形状と
なる。

【００３９】そして，ホウ素等のアクセプタ性の元素を
イオン注入する（図１０参照）。このとき，注入された
イオンのｎエピタキシャル層１０２内での飛程が，ｐボ
ディ領域１０７の形成のためのイオン注入の場合と同程
度になるようにする。また注入のドーズ量は，ｎ⁺ ソー
ス領域１０６の部分の導電型をも反転させる程度とす
る。これによりｐボディ領域１０７の一部およびｎ⁺ ソ
ース領域１０６の一部が，より不純物濃度の高いｐ⁺ボ
ディ領域１０９となる。形成されたｐ⁺ボディ領域１０
９は，ｎエピタキシャル層１０２の表面に臨んでいる。
また下部においてはｐボディ領域１０７を介さず直接に
ｎドリフト領域１０２ｄに接している。この部分が，Ｉ
ＧＢＴ１のバイポーラトランジスタにおいてコレクタ領
域となる部分である。

【００４０】（ソース電極の形成）次に，絶縁膜１０
５，１０８を部分的にエッチングする。このエッチング
の目的は，図１１に示すように，ｎ⁺ ソース領域１０６
の一部を露出させることである。また同時に，絶縁膜１
０５の膜厚調整もなされている。したがってこのエッチ
ングは，ウェットエッチングのような等方的エッチング
法を用いて行われる。そして，アルミニウム（Ａｌ）等
の金属をスパッタ法により堆積すると，図１２に示すよ
うに，ｐ⁺ボディ領域１０９とｎ⁺ソース領域１０６との
双方に接触するソース電極１１０が形成される。なお，
図１２の状態におけるゲート電極１０４は，絶縁膜１０
３，１０５，１０８により他の部分から絶縁されてい
る。

【００４１】（欠陥領域の形成）次に，イオン照射によ
り欠陥領域１１２を形成する。このイオン照射は，図１
３に示すように，あらかじめ用意したアブソーバ４０を
介在させつつ半導体層１０の裏面側（ｐ⁺ 基板１０１の
側）から行う。なお図１３における半導体層１０は，図
１２等とは上下逆さであることに注意されたい。照射す
るイオン種として使用できるのは，ヘリウムイオン（Ｈ
ｅ²⁺），水素イオン（Ｈ⁺ ）等である。アブソーバ４０
は，アルミニウム等の材質の箔であって，交互に形成さ
れた溝部４１と凸部４２とを有している。溝部４１およ
び凸部４２の幅はいずれも，イオンの照射により半導体
層１０内に分布する格子欠陥の半値幅と同程度とされて
いる。また，溝部４１と凸部４２との厚さの差も同様の
値とされている。

【００４２】このようなアブソーバ４０を介してイオン
照射を行うと，半導体層１０内に形成される格子欠陥
は，図１３中に線分Ｓ群，線分Ｔ群，およびこれらの各
線分を囲む四辺形Ｕで示されるような分布をとる。すな
わち線分Ｓ群がアブソーバ４０の凸部４２に対応する分
布ピーク位置を示し，線分Ｔ群が溝部４１に対応する分
布ピーク位置を示している。両者は，溝部４１と凸部４
２との厚さの差の分，深さ方向の位置が異なる。各線分
を囲む四辺形Ｕは，格子欠陥の分布濃度がピーク値の半
値以上である領域である。半導体層１０における実際の
分布はこれらの各分布の重畳であり，図１３のグラフに
示すように，単独の分布の半値幅（Ｈｅ²⁺を２４ＭｅＶ
程度のエネルギーで照射した場合で約１０μｍ）の２倍
程度の半値幅Ｖの深さ方向分布となる。横方向の欠陥分
布は，ほぼ一様となる。

【００４３】その後，２００〜４７０℃程度の温度でア
ニールして欠陥を安定化する。こうして，ｎドリフト領
域１０２ｄの中の非空乏化領域１０２ｂを包含する欠陥
領域１１２が，１回のイオン照射により得られる。な
お，このイオン照射におけるアブソーバ４０は，図１３
に示すものの他に図１４のような，ピーク深さ調整用ア
ブソーバ４３と半値幅調整用アブソーバ４４とを別々に
した分割式のものを用いてもよい。分割式にすると，ピ
ーク深さと半値幅との多様な組合せに，より少ない総種
類数のアブソーバで対応することができる。

【００４４】（ドレイン電極の形成）最後に，半導体層
１０の裏面（ｐ⁺ 基板１０１）にアルミニウム等の金属
をスパッタ法または蒸着法により堆積してドレイン電極
１１１を形成し，各電極（１１０，１０４，１１１）に
必要な端子（ＳＣ，Ｇ，ＤＥ）を取り付けると，図１に
示すＩＧＢＴ１が完成する。

【００４５】［まとめ］以上詳細に説明したように，本
実施の形態に係るＩＧＢＴ１では，ｎドリフト領域１０
２ｄ（ｎエピタキシャル層１０２）とｐ⁺ 基板１０１と
の界面付近に，格子欠陥を高濃度に分布させるとともに
その分布の半値幅を大きくして，ｎドリフト領域１０２
ｄのうちスイッチオフ後に空乏化しない非空乏化領域１
０２ｂが欠陥領域１１２内に包含されるようにしたの
で，ゲート電圧をスイッチオフするとｎドリフト領域１
０２ｄの全域において速やかにキャリアが減少する。こ
のため，スイッチオフ後にドレイン電極１１１からソー
ス電極１１０への電流が短時間で０に収束する。すなわ
ちターンオフ時間が短くオフ応答に優れている。

【００４６】また，格子欠陥分布の半値幅が大きく欠陥
領域１１２が非空乏化領域１０２ｂを包含しているが，
欠陥領域１１２はｐボディ領域１０７等の拡散層にまで
は及んでいないので，オン抵抗は特に高くない。すなわ
ち，欠陥領域１１２の位置および幅を，非空乏化領域１
０２ｂを包含しかつ拡散層にまでは及ばない程度とした
ことにより，ターンオフ時間の短縮とオン抵抗の上昇防
止とが高レベルで両立されているのである。

【００４７】さらに，格子欠陥分布の半値幅が十分大き
いことから，製造プロセスの要因により欠陥領域１１２
の形成深さ位置に多少のばらつきがあっても，非空乏化
領域１０２ｂが欠陥領域１１２の外部にはみ出すことは
ほとんどない。したがって，ターンオフ時間の短縮効果
が安定して得られる利点がある。

【００４８】そして，このＩＧＢＴ１の製造において，
溝部４１と凸部４２とを有し場所により厚さに差がある
アブソーバ４０を介してイオン照射を行うことにより欠
陥領域１１２を形成することとしたので，１回のイオン
照射で所望のピーク深さおよび幅を有する欠陥領域１１
２を形成できる。したがって，イオンのエネルギーやア
ブソーバの種類等を変えて何度もイオン照射する必要は
なく，プロセスが簡単で製造コストもさほどかからな
い。また，溝部４１と凸部４２との厚さの差の分，欠陥
分布の半値幅が広がっているので，過度に高い加速エネ
ルギーをかけなくても必要な幅の欠陥領域１１２が得ら
れる。

【００４９】なお，本発明は前記実施の形態に何ら限定
されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲内で種
々の改良，変形が可能であることはもちろんである。

【００５０】例えば前記実施の形態で示したＩＧＢＴ１
では，ｎドリフト領域１０２ｄ内に特に不純物濃度の差
を設けていないが，何らかの濃度分布を設けることも考
えられる。通常行われる例としては，ｎドリフト領域１
０２ｄ内でも特に非空乏化領域１０２ｂ内に，高濃度の
バッファ層を設けることが挙げられる。場合によっては
非空乏化領域１０２ｂの全部がバッファ層であってもよ
い。またＩＧＢＴ１は，いわゆるプレーナ型のものであ
るが，これ以外にもトレンチゲート型等，特殊なゲート
構造を持ったものにも適用できる。また，絶縁ゲートを
持つことも必須ではなく，絶縁ゲートのない伝導度変調
型の半導体素子にも適用可能である。そしてこれらのｐ
ｎ極性を逆にしたものであってもよい。

【００５１】また製造方法においても変形が考えられ
る。例えば前記実施の形態では，欠陥領域１１２の形成
を，ｐボディ領域１０７等の拡散層の形成後に行った
が，拡散層の形成前に行ってもよい。また，欠陥領域１
１２の形成のためのイオン照射は，半導体層１０の裏面
側から行う代わりに表面側から行ってもよい。なお表面
側から行う場合，拡散層等となる部分を照射イオンが通
過することによる影響が心配されるが，通常，照射後に
安定化のためのアニールが行われ，この際にイオン通過
の影響が除去される。したがって，拡散層等となる部分
に照射イオンが停止しない条件で照射を行えば問題はな
い。更に、スイッチ素子であれば、上記以外の新規な構
造のものでも適用可能である。

【００５２】また，イオン照射の際，あらかじめ用意し
たアブソーバ４０の代わりに，アブソーバと同じ材質の
薄膜を成膜しエッチングにより凹凸形状を形成すること
としてもよい。その場合にはその膜をその後電極として
使用することも考えられる。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば，半導体層内における格子欠陥分布の適切なピー
ク深さおよび幅が実現され，オン抵抗の上昇を伴うこと
なくターンオフ時間を十分に短縮した半導体装置が，そ
の製造方法とともに提供されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図で
ある。

【図２】図１の半導体装置における格子欠陥および不純
物の濃度分布を説明する図である。

【図３】図１の半導体装置のスイッチオフ後の過渡特性
を示すグラフである。

【図４】エピタキシャル成長を行った半導体層を示す図
である。

【図５】ゲート電極の形成および加工を行った状態を示
す図である。

【図６】ソース領域の形成を示す図である。

【図７】ボディ領域（電界効果トランジスタのチャネル
形成領域）の形成を示す図である。

【図８】絶縁膜を形成した状態を示す図である。

【図９】図８で形成した絶縁膜の一部をエッチングした
状態を示す図である。

【図１０】高濃度ボディ領域（バイポーラトランジスタ
のコレクタ領域）の形成を示す図である。

【図１１】絶縁膜の一部をエッチングした状態を示す図
である。

【図１２】ソース電極を形成した状態を示す図である。

【図１３】欠陥領域の形成のためのイオン照射を説明す
る図である。

【図１４】アブソーバの形状の他の例を示す図である。

【図１５】ＩＧＢＴの基本を説明する図である。

【図１６】従来の半導体装置における格子欠陥および不
純物の濃度分布を説明する図である。

【図１７】従来の半導体装置のスイッチオフ後の過渡特
性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 半導体装置 １０ 半導体層 １０１ 基板（エミッタ） １０２ｂ 非空乏化領域 １０２ｄ ドリフト（ドレイン，ベース）領域 １０４ ゲート電極 １０６ ソース領域 １０７ ボディ（チャネル）領域 １０９ ボディ（コレクタ）領域 １１２ 欠陥領域 ４０ アブソーバ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/334 - 21/336 H01L 29/78 H01L 29/74 - 29/747 H01L 29/86 - 29/96

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体層の表面側にスイッチング素子を
   設け，このスイッチング素子のオンオフにより前記半導
   体層の厚さ方向の電流をスイッチング制御する半導体装
   置において， 前記半導体層の一部に設けられ，前記スイッチング素子
   を含まず，他の部分よりも高い格子欠陥濃度を有する欠
   陥領域と，スイッチオフ後に空乏化せず，前記欠陥領域に包含され
   る非空乏化層とを有し， 前記欠陥領域における格子欠陥濃度の半値幅が前記非空
   乏化層の厚さより大きく， 前記非空乏化層は，キャリアのライフタイムを短縮しタ
   ーンオフ時間を縮めるのに十分な格子欠陥濃度を有する
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する半導体装置におい
   て，前記半導体層の厚さ方向にエミッタ，ベース，コレ
   クタが配置されたバイポーラトランジスタを有し，前記
   スイッチング素子は，オンすることにより前記バイポー
   ラトランジスタのベースにキャリアを注入する電界効果
   トランジスタであり，前記欠陥領域は，前記ベースのう
   ち前記エミッタ近傍のスイッチオフ後に空乏化しない部
   分全体を包含することを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 表面側にスイッチング素子を設けた半導
   体層に，他の部分よりも格子欠陥濃度が高い欠陥領域
   を，スイッチオフしたときに空乏化しない部分全体を包
   含し，かつ，前記スイッチング素子を含まないように形
   成した構造の半導体装置を製造する方法において， 前記半導体層に対し照射マスクを介してイオン照射を行
   うことにより前記欠陥領域を形成し， 前記照射マスクとして，場所により２水準以上の吸収能
   を有するとともに，吸収能が異なる場所が交互に設けら
   れ，照射されたイオンの半導体内での分布の半値幅が前
   記電流をオフしたときに空乏化しない部分の厚さ以上と
   なるようにされているものを用いることを特徴とする半
   導体装置の製造方法。