JP6989061B2 - 半導体装置および製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置および製造方法に関する。
従来、半導体基板の所定の深さに水素を注入して拡散させることで、注入深さおよび拡散領域に形成された格子欠陥と水素が結合してドナー化し、ドーピング濃度を高くでき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 ＷＯ２０１１／５２７８７号
 解決しようとする課題
半導体基板には、トランジスタ等が設けられる活性部と、活性部の外側に配置され、ガードリング等を含むエッジ終端構造部が設けられる場合がある。活性部には、ゲート酸化膜等のように、水素を通過させることが好ましくない構造が設けられている。このため、深さ方向において、高ドーピング濃度の領域を形成できる範囲が限定される。一方で、エッジ終端構造部においては、低ドーピング濃度の領域が残存しているほど、耐圧を向上させることが難しくなる。
一般的開示
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、バルク・ドナーを含む半導体基板を備える半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体基板に設けられた活性部を備えてよい。半導体装置は、半導体基板の上面において、活性部と半導体基板の端辺との間に設けられたエッジ終端構造部を備えてよい。活性部は、水素を含み、且つ、バルク・ドナーの濃度よりも高いドナー濃度の第１高濃度領域を有してよい。エッジ終端構造部は、半導体基板の深さ方向において第１高濃度領域よりも広い範囲に設けられ、水素を含み、且つ、バルク・ドナーの濃度よりも高いドナー濃度の第２高濃度領域を有してよい。
第２高濃度領域は、半導体基板の上面に接していてよい。
第１高濃度領域における深さ方向における水素濃度分布は、半導体基板の上面側において、第１水素濃度ピークを有してよい。
エッジ終端構造部において、第１水素濃度ピークと同一の深さ位置における水素濃度は、第１水素濃度ピークにおける水素濃度よりも低くてよい。
活性部は、半導体基板の上面に設けられたトレンチ部を有してよい。第１水素濃度ピークは、半導体基板の深さ方向の中央から、トレンチ部の底部までの領域に配置されていてよい。
第１水素濃度ピークにおけるドナー濃度が、１．０×１０１３／ｃｍ３以上、２．０×１０１４／ｃｍ３以下であってよい。
第１水素濃度ピークにおけるドナー濃度が、第１水素濃度ピークよりも半導体基板の下面側の第１高濃度領域におけるドナー濃度の３倍以上、７倍以下であってよい。
第１水素濃度ピークよりも半導体基板の下面側の深さ位置において、第１高濃度領域のドナー濃度と、第２高濃度領域のドナー濃度とが同一であってよい。
第１水素濃度ピークよりも半導体基板の上面側の深さ位置において、第２高濃度領域のドナー濃度は、活性部のドナー濃度よりも高くてよい。
活性部は、半導体基板の上面に設けられたゲートトレンチ部を、配列方向に沿って予め定められた間隔で複数有してよい。複数のゲートトレンチ部のうち、配列方向において最も端に配置されたゲートトレンチ部と、第２高濃度領域との配列方向における距離が、第１水素濃度ピークの標準偏差の３倍以上であってよい。
半導体基板の上面において活性部とエッジ終端構造部との間に設けられ、半導体基板の上面からゲートトレンチ部の下端よりも深くまで設けられたＰ型のウェル領域を有してよい。配列方向における第１高濃度領域と第２高濃度領域との境界が、深さ方向においてウェル領域と重なっていてよい。
本発明の第２の態様においては、第１の態様の半導体装置の製造方法を提供する。製造方法は、半導体基板の下面において、活性部が設けられる領域に遮蔽部を形成し、且つ、第２高濃度領域が設けられる領域の半導体基板の下面を露出させた状態で、半導体基板の下面から水素を照射する水素照射段階を備えてよい。製造方法は、半導体基板を熱処理する熱処理段階を備えてよい。
水素照射段階において、第２高濃度領域が設けられる領域に照射される水素は半導体基板を貫通し、活性部が設けられる領域に照射される水素は、半導体基板を貫通しなくてよい。
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。
本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の一例を示す上面図である。 図１における領域Ａの拡大図である。 図２におけるｂ−ｂ断面の一例を示す図である。 図１におけるｃ−ｃ断面の一例を示す図である。 水素注入領域１４０の近傍における、深さ方向の水素化学濃度分布の一例を示す図である。 Ｘ軸方向における、ドーピング濃度分布の一例を示す図である。 図４におけるｅ−ｅ線およびｆ−ｆ線におけるドーピング濃度分布の一例を示す図である。 図４におけるｇ−ｇ線におけるドーピング濃度分布の一例を示す図である。 図４におけるｆ−ｆ線におけるドーピング濃度分布および水素化学濃度分布の他の例を示す図である。 半導体基板１０に水素イオンを照射する工程の一例を説明する図である。 半導体装置１００の製造方法の一例を示す図である。
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「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。本明細書では、ネット・ドーピング濃度を単にドーピング濃度と記載する場合がある。
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。本明細書では、ＶＯＨ欠陥を水素ドナーと称する場合がある。
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濃度を、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濃度は、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濃度を、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濃度を、アクセプタ濃度としてもよい。本明細書では、Ｎ型領域のドーピング濃度をドナー濃度と称する場合があり、Ｐ型領域のドーピング濃度をアクセプタ濃度と称する場合がある。
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濃度が、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濃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、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置１００の一例を示す上面図である。図１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１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、半導体基板１０を備えている。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。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１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１では省略している。
活性部１６０には、ＩＧＢＴ等のトランジスタ素子を含むトランジスタ部７０と、還流ダイオード（ＦＷＤ）等のダイオード素子を含むダイオード部８０の少なくとも一方が設けられている。図１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およびダイオード部８０の一方だけが設けられていてもよい。
図１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１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１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からの配線長のバラツキを低減できる。
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、上面視において、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、活性部１６０を囲んで環状に設けられたガードリング、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備えていてよい。
図２は、図１における領域Ａの拡大図である。領域Ａ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２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２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２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２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２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。ゲートトレンチ部４０の直線部分３９またはダミートレンチ部３０の直線部分２９が、延伸方向に長く延伸する方向を、トレンチ部の長手方向とする。ゲートトレンチ部４０またはダミートレンチ部３０の長手方向は、延伸方向と一致してよい。本例では、延伸方向および長手方向は、Ｙ軸方向である。ゲートトレンチ部４０またはダミートレンチ部３０が複数配列された配列方向を、トレンチ部の短手方向とする。短手方向は配列方向と一致してよい。また短手方向は、長手方向に対して垂直であってよい。本例では、長手方向と短手方向は垂直である。本例では、配列方向および短手方向は、Ｘ軸方向である。
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、トレンチ部に沿って延伸方向（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２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。カソード領域８２およびコレクタ領域２２は、半導体基板１０の下面２３と、バッファ領域２０との間に設けられている。図２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３は、図２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。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。
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２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の下にはＮ＋型のバッファ領域２０が設けられてよい。バッファ領域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。バッファ領域２０は、ドリフト領域１８よりもドーピング濃度の高い濃度ピーク２５を有する。濃度ピーク２５のドーピング濃度とは、濃度ピーク２５の頂点におけるドーピング濃度を指す。また、ドリフト領域１８のドーピング濃度は、ドーピング濃度分布がほぼ平坦な領域におけるドーピング濃度の平均値を用いてよい。ドーピング濃度分布がほぼ平坦な領域とは、深さ方向の長さが１０μｍ以上であり、且つ、ドーピング濃度の変動が±１０％以内の領域であってよい。本例のバッファ領域２０は、半導体基板１０の深さ方向（Ｚ軸方向）において、３つ以上の濃度ピーク２５を有する。バッファ領域２０の濃度ピーク２５は、例えば水素（プロトン）またはリンの濃度ピークと同一の深さ位置に設けられていてよい。バッファ領域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、バッファ領域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、バッファ領域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、エミッタ電極５２に電気的に接続されている。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。
本例の半導体基板１０は、第１導電型（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、例えばリン、アンチモン、ヒ素、セレン、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よい。本例におけるインゴットは、ＭＣＺ法で製造されている。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％の間の値であってもよい。
半導体基板１０は、活性部１６０において、水素を含み、且つ、バルク・ドナーの濃度よりも高いドナー濃度の第１高濃度領域１０６を有する。第１高濃度領域１０６は、半導体基板１０の下面２３から、水素注入領域１４０に向けて水素を照射して熱処理することで形成できる。
下面２３から注入された水素イオンが通過した領域には、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。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、水素注入領域１４０およびバッファ領域２０に注入された水素が通過領域に拡散することで、通過領域に存在する空孔（Ｖ）および酸素（Ｏ）と水素（Ｈ）とが結合し、ＶＯＨ欠陥が形成される。ＶＯＨ欠陥は、電子を供給するドナーとして機能する。
ＶＯＨ欠陥が形成されることで、水素の通過領域のドーピング濃度が上昇する。本例では、下面２３から、水素注入領域１４０までの領域のドーピング濃度が上昇する。このため、水素の通過領域には、バルク・ドナー濃度よりも高濃度の第１高濃度領域１０６が形成される。
第１高濃度領域１０６は、上面視において、活性部１６０の全体にわたって設けられてよい。第１高濃度領域１０６は、ドリフト領域１８のうち、下面２３側の一部の領域に設けられてよい。第１高濃度領域１０６は、バッファ領域２０と接していてよい。バッファ領域２０が設けられていない場合、第１高濃度領域１０６は、コレクタ領域２２と接していてよく、カソード領域８２と接していてよい。第１高濃度領域１０６のドーピング濃度は、カソード領域８２、コレクタ領域２２、および、バッファ領域２０におけるドーピング濃度のいずれのピーク値よりも低い。本例においては、ＶＯＨ欠陥によるドナー濃度は、バッファ領域２０、カソード領域８２、コレクタ領域２２におけるドーピング濃度よりも十分低い。このため、図３の例では、バッファ領域２０、カソード領域８２、コレクタ領域２２においては、第１高濃度領域１０６が設けられていないとみなしている。
本明細書では、ドーピング濃度がバルク・ドナー濃度である領域を、低濃度領域１９とする。図３の例では、バッファ領域２０と蓄積領域１６との間の領域のうち、第１高濃度領域１０６が形成されずに残存したドリフト領域１８が、低濃度領域１９である。
水素注入領域１４０は、半導体基板１０の上面２１側に設けられてよい。上面２１側とは、上面２１と、半導体基板１０の深さ方向における中央との間の領域を指す。これにより、第１高濃度領域１０６は、バッファ領域２０の上端から、半導体基板１０の上面２１側の広い領域にわたって形成できる。このため、広い領域にわたって、ドーピング濃度を調整できる。
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、バルク・ドナー濃度Ｄｂ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、半導体装置１００によれば、水素イオンのドーズ量および注入深さを制御することで、第１高濃度領域１０６のドナー濃度および範囲を、バルク・ドナー濃度Ｄｂよりも部分的に高くできる。このため、バルク・ドナー濃度Ｄｂの異なる半導体基板１０を用いても、所定の定格電圧または耐圧特性の素子を形成できる。また、半導体基板１０の製造時における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、水素イオンを照射することで生じる空孔（Ｖ）の濃度も高精度に制御でき、第１高濃度領域１０６のドナー濃度を高精度に制御できる。
また、水素注入領域１４０は、ゲートトレンチ部４０の下端よりも、半導体基板１０の下面２３側に配置されることが好ましい。つまり、ゲートトレンチ部４０に到達しない範囲で、下面２３から水素イオンを照射することが好ましい。これにより、ゲート絶縁膜４２を水素イオンが通過しないので、ゲート絶縁膜４２の劣化を抑制できる。
半導体基板１０の深さ方向における水素化学濃度分布は、水素注入領域１４０において第１水素濃度ピーク１４１を有する。図３においては、第１水素濃度ピーク１４１の深さ位置を模式的にバツ印で示している。
第１水素濃度ピーク１４１と、ゲートトレンチ部４０の下端とのＺ軸方向における距離Ｌ１は、水素の照射時の飛程にバラツキが生じても、水素がゲートトレンチ部４０に照射されない程度に離れていることが好ましい。距離Ｌ１は、深さ方向における水素化学濃度分布における、第１水素濃度ピーク１４１の標準偏差σの３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。ただし、第１高濃度領域１０６を広く形成したい場合には、距離Ｌ１は小さいことが好ましい。距離Ｌ１は、上述した標準偏差の２０倍以下であってよく、１０倍以下であってもよい。
図４は、図１におけるｃ−ｃ断面の一例を示す図である。ｃ−ｃ断面は、エッジ終端構造部９０およびトランジスタ部７０を含むＸＺ面である。本例においては、エッジ終端構造部９０およびトランジスタ部７０の間には、境界部７２が設けられている。トランジスタ部７０の構造は、図２および図３において説明したトランジスタ部７０と同一である。
境界部７２は、外周ゲート配線１３０およびウェル領域１１を有する。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Ｐ＋型の領域である。ウェル領域１１は、半導体基板１０の上面２１から、トレンチ部の下端よりも深い位置まで設けられている。ウェル領域１１を設けることで、活性部１６０とエッジ終端構造部９０とを分離しやすくなる。上面視でウェル領域１１に囲まれた領域を活性部１６０としてよい。ウェル領域１１の内部には、一つ以上のトレンチ部が設けられていてよい。複数のトレンチ部のうち、最も端に配置されたトレンチ部をウェル領域１１内に設けることで、当該トレンチ部への電界集中を緩和できる。
ウェル領域１１の上方には、外周ゲート配線１３０が設けられている。本例の外周ゲート配線１３０は、アルミニウム等の金属で形成されたゲート金属層５０と、不純物が添加されたポリシリコン等の半導体で形成されたゲートランナー４８とを含む。ゲートランナー４８は、層間絶縁膜３８を挟んで、ウェル領域１１の上方に配置されている。ゲート金属層５０は、層間絶縁膜３８を挟んで、ゲートランナー４８の上方に配置されている。ゲート金属層５０およびゲートランナー４８は、層間絶縁膜３８に設けられた貫通孔により接続されている。
エッジ終端構造部９０には、複数のガードリング９２、複数のフィールドプレート９４およびチャネルストッパ１７４が設けられている。エッジ終端構造部９０において、下面２３に接する領域には、コレクタ領域２２が設けられていてよい。また、コレクタ領域２２には、バッファ領域２０が設けられている。バッファ領域２０は、１つ以上の水素化学濃度ピークを有する。
各ガードリング９２は、上面２１において活性部１６０を囲むように設けられてよい。複数のガードリング９２は、活性部１６０において発生した空乏層を半導体基板１０の外側へ広げる機能を有してよい。これにより、半導体基板１０内部における電界集中を防ぐことができ、半導体装置１００の耐圧を向上できる。
本例のガードリング９２は、上面２１近傍にイオン照射により形成されたＰ＋型の半導体領域である。ガードリング９２の底部の深さは、ゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０の底部の深さより深くてよい。
ガードリング９２の上面は、層間絶縁膜３８により覆われている。フィールドプレート９４は、金属またはポリシリコン等の導電材料で形成される。フィールドプレート９４は、ゲート金属層５０またはエミッタ電極５２と同じ材料で形成されてよい。フィールドプレート９４は、層間絶縁膜３８上に設けられている。フィールドプレート９４は、層間絶縁膜３８に設けられた貫通孔を通って、ガードリング９２に接続されている。
チャネルストッパ１７４は、端辺１０２における上面２１および側面に露出して設けられる。チャネルストッパ１７４は、ドリフト領域１８よりもドーピング濃度の高いＮ型の領域である。チャネルストッパ１７４は、活性部１６０において発生した空乏層を半導体基板１０の端辺１０２において終端させる機能を有する。
半導体基板１０は、エッジ終端構造部９０において、水素を含み、且つ、バルク・ドナーの濃度よりも高いドナー濃度の第２高濃度領域１０７を有する。第２高濃度領域１０７は、半導体基板１０の深さ方向において、第１高濃度領域１０６よりも広い範囲に設けられる。
第２高濃度領域１０７は、半導体基板１０の下面２３から水素イオンを照射して熱処理することで形成できる。第２高濃度領域１０７は、半導体基板１０を貫通するように水素イオンを照射して形成してよく、活性部１６０における水素注入領域１４０よりも上面２１側の位置に水素イオンを注入して形成してもよい。これにより、Ｚ軸方向において、第１高濃度領域１０６よりも広い範囲に第２高濃度領域１０７を形成できる。図４の例では、第２高濃度領域１０７は、半導体基板１０を貫通するように水素イオンを照射して形成している。このため、図４の例の第２高濃度領域１０７には、深さ方向における水素化学濃度分布に濃度ピークがない。
第２高濃度領域１０７をＺ軸方向に広く形成することで、エッジ終端構造部９０において、高比抵抗の領域を小さくできる。このため、Ｘ軸方向におけるエッジ終端構造部９０の長さを小さくしても、半導体装置１００の耐圧を確保しやすくなる。
第２高濃度領域１０７は、半導体基板１０の上面２１に接していてよい。本例の第２高濃度領域１０７は、バッファ領域２０の上端から、半導体基板１０の上面２１まで設けられている。エッジ終端構造部９０には、低濃度領域１９が設けられていなくてよい。第２高濃度領域１０７は、ウェル領域１１とガードリング９２の間、２つのガードリング９２の間、および、ガードリング９２とチャネルストッパ１７４の間にも設けられている。
第２高濃度領域１０７のドーピング濃度は、ガードリング９２、チャネルストッパ１７４、および、バッファ領域２０におけるドーピング濃度のいずれのピーク値よりも低い。このため、図４の例では、ガードリング９２、チャネルストッパ１７４、および、バッファ領域２０においては、第２高濃度領域１０７が設けられていないとみなしている。
第２高濃度領域１０７は、上面視において、エッジ終端構造部９０の全体にわたって設けられてよい。本例のエッジ終端構造部９０は、半導体基板１０の上面２１において、ウェル領域１１の端部位置Ｘｗから、半導体基板１０の端辺１０２までの領域である。
Ｘ軸方向において、第１高濃度領域１０６と、第２高濃度領域１０７とは接していてよい。第１高濃度領域１０６と、第２高濃度領域１０７とのＸ軸方向における境界位置Ｘｂは、ウェル領域１１の端部位置Ｘｗよりも、活性部１６０側に配置されていてよい。境界位置Ｘｂは、Ｚ軸方向においてウェル領域１１と重なっていてよい。
境界位置Ｘｂと、Ｘ軸方向において最も端に配置されたゲートトレンチ部４０との、Ｘ軸方向における距離Ｌ２は、第２高濃度領域１０７を形成するために照射した水素が、ゲート絶縁膜４２を通過することを防げる程度に離れていることが好ましい。当該ゲートトレンチ部４０は、Ｘ軸方向において最も第２高濃度領域１０７の近くに配置されている。距離Ｌ２は、深さ方向における水素化学濃度分布における、第１水素濃度ピーク１４１の標準偏差σの３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。距離Ｌ２は、距離Ｌ１より大きくてもよい。距離Ｌ２は、ウェル領域１１のＸ軸方向の幅の半分以上であってもよい。
図５は、水素注入領域１４０の近傍における、深さ方向の水素化学濃度分布の一例を示す図である。上述したように、水素注入領域１４０において、水素化学濃度分布は、第１水素濃度ピーク１４１を有する。第１水素濃度ピーク１４１は、水素化学濃度が極大値Ｄ３を示す領域である。
上述した第１水素濃度ピーク１４１の標準偏差σとは、極大値Ｄ３を含む山形の濃度分布における標準偏差である。距離Ｌ１およびＬ２を、標準偏差σに対して十分大きくすることで、水素イオンがゲート絶縁膜４２を通過することを抑制できる。
なお、水素化学濃度分布は、第１水素濃度ピーク１４１よりも下面２３側に裾Ｓ１を有し、上面２１側に裾Ｓ２を有する。本例では、下面２３側から水素を照射している。このため、裾Ｓ１は、裾Ｓ２よりも傾きが小さくてよい。つまり、裾Ｓ２は、裾Ｓ１よりも、水素化学濃度が急峻に変動していてよい。第１水素濃度ピーク１４１の両側の裾を比較することで、水素が下面２３および上面２１のどちら側から照射されたかを判別できる場合がある。
図６は、Ｘ軸方向における、ドーピング濃度分布の一例を示す図である。図６では、低濃度領域１９から、第２高濃度領域１０７にかけての分布を示している。図４に示すように、低濃度領域１９と、第２高濃度領域１０７との境界位置Ｘｂは、第１高濃度領域１０６と、第２高濃度領域１０７との境界位置Ｘｂとみなすことができる。
ドーピング濃度は、境界位置Ｘｂの近傍において、低濃度領域１９のドーピング濃度Ｄｂから、第２高濃度領域１０７のドーピング濃度Ｄ２まで変化する。境界位置Ｘｂは、ドーピング濃度が、Ｄ２とＤｂの中間の濃度Ｄｃとなる位置であってよい。
図７は、図４におけるｅ−ｅ線およびｆ−ｆ線におけるドーピング濃度分布の一例を示す図である。ｅ−ｅ線は、トランジスタ部７０においてエミッタ領域１２を通過するＺ軸方向の線である。ｆ−ｆ線は、エッジ終端構造部９０において、ウェル領域１１とガードリング９２との間を通過するＺ軸方向の線である。ｅ−ｅ線は、第１高濃度領域１０６を通過し、ｆ−ｆ線は、第２高濃度領域１０７を通過する。また、図７においては、深さ位置Ｚ１の近傍における水素化学濃度分布を合わせて示している。深さ位置Ｚ１は、第１高濃度領域１０６における水素化学濃度分布の第１水素濃度ピーク１４１の深さ位置である。
本例のバッファ領域２０は、ドーピング濃度分布において、複数の濃度ピーク２５−１、２５−２、２５−３、２５−４を有する。それぞれの濃度ピーク２５は、水素イオンを注入することで形成されているが、図７においては、濃度ピーク２５に対応する水素化学濃度分布のピークは省略している。
第１高濃度領域１０６の水素化学濃度分布の第１水素濃度ピーク１４１は、半導体基板１０の深さ方向における中央Ｚｃと、蓄積領域１６との間に配置されている。一方で、第２高濃度領域１０７においては、深さ位置Ｚ１には水素化学濃度のピークが設けられていない。第２高濃度領域１０７の深さ方向における水素化学濃度分布は、平坦であってよく、微小な傾きを有する直線状であってもよい。水素化学濃度分布が平坦とは、第２高濃度領域１０７の深さ方向における全体にわたって、水素化学濃度の変動幅が±５０％以内であることを指してよい。
エッジ終端構造部９０において、第１水素濃度ピーク１４１と同一の深さ位置Ｚ１における水素化学濃度Ｄｈ２は、第１水素濃度ピーク１４１における水素化学濃度Ｄｈ１よりも低くてよい。例えば、同一の水素ドーズ量で、活性部１６０には深さ位置Ｚ１に向けて水素を照射し、エッジ終端構造部９０には半導体基板１０を貫通するように水素を照射する。この場合には、深さ位置Ｚ１における水素化学濃度は、活性部１６０のほうが、エッジ終端構造部９０よりも高くなる。一方で、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側の領域における水素化学濃度は、エッジ終端構造部９０のほうが、活性部１６０よりも高くてよい。また、深さ位置Ｚ１よりも下面２３側の領域における水素化学濃度は、エッジ終端構造部９０と、活性部１６０とで同等であってよい。水素化学濃度が同等とは、同一の深さ位置における水素化学濃度の差が±５０％以内であることを指してよい。
また、第１水素濃度ピーク１４１の深さ位置Ｚ１において、第１高濃度領域１０６のドーピング濃度分布は、第１ドーピング濃度ピーク１０８を有してよい。第１ドーピング濃度ピーク１０８は、下面２３側の裾Ｓ３と、上面２１側の裾Ｓ４を有してよい。第１水素濃度ピーク１４１と同様に、裾Ｓ３は、裾Ｓ４よりも緩やかであってよい。
深さ位置Ｚ１における第１高濃度領域１０６のドーピング濃度Ｄｐ１（またはドナー濃度）は、１．０×１０１３／ｃｍ３以上、２．０×１０１４／ｃｍ３以下であってよい。また、深さ位置Ｚ１よりも下面２３側における第１高濃度領域１０６のドーピング濃度Ｄ１（またはドナー濃度）も、１．０×１０１３／ｃｍ３以上、２．０×１０１４／ｃｍ３以下であってよい。ドーピング濃度Ｄｐ１は、ドーピング濃度Ｄ１の３倍以上、７倍以下であってよい。このような構成により、バルク・ドナー濃度Ｄｂよりも、第１高濃度領域１０６のドーピング濃度を十分に高くでき、ドリフト領域１８のドーピング濃度を精度よく制御できる。
ドリフト領域１８に相当する深さ範囲において、第２高濃度領域１０７のドーピング濃度分布の変動幅は、活性部１６０におけるドーピング濃度分布の変動幅よりも小さい。第２高濃度領域１０７におけるドーピング濃度は、平坦であってよい。ドーピング濃度が平坦とは、第２高濃度領域１０７の深さ方向における全体にわたって、ドーピング濃度の変動幅が±５０％以内であることを指してよい。一例として第２高濃度領域１０７のドーピング濃度は、７．０×１０１３／ｃｍ３以上、８．０×１０１３／ｃｍ３以下であってよい。
また、エッジ終端構造部９０のドーピング濃度は、半導体基板１０の深さ方向の全体にわたって、バルク・ドナー濃度Ｄｂよりも高くてよい。ただし、Ｐ型領域とＮ型領域との境界においては、ドーピング濃度のネット値は、バルク・ドナー濃度Ｄｂよりも小さくなる。
深さ位置Ｚ１よりも下面２３側の領域において、第１高濃度領域１０６のドーピング濃度Ｄ１（ドナー濃度）と、第２高濃度領域１０７のドーピング濃度Ｄ２（ドナー濃度）は、同一であってよい。ドーピング濃度が同一とは、±１０％以内の誤差を許容してよい。また、深さ位置Ｚ１よりも上面２１側の領域において、第２高濃度領域１０７のドーピング濃度Ｄ２は、活性部１６０の低濃度領域１９のドーピング濃度Ｄｂよりも高い。
図８は、図４におけるｇ−ｇ線におけるドーピング濃度分布の一例を示す図である。ｇ−ｇ線は、エッジ終端構造部９０において、ガードリング９２を通過する。本例の第２高濃度領域１０７は、バッファ領域２０と、ガードリング９２との間に設けられている。なお、ガードリング９２にもＶＯＨ欠陥は形成されているが、ガードリング９２のドーピング濃度が高いので、ＶＯＨ欠陥が形成されてもガードリング９２の特性にはほとんど影響ない。
図９は、図４におけるｆ−ｆ線におけるドーピング濃度分布および水素化学濃度分布の他の例を示す図である。本例の第２高濃度領域１０７は、上面２１の近傍に、第２水素濃度ピーク１４２を有する。第２水素濃度ピーク１４２の深さ位置Ｚ２は、第１水素濃度ピーク１４１の深さ位置Ｚ１よりも、上面２１側に配置されている。第２水素濃度ピーク１４２は、トレンチ部の下端の深さ位置よりも上面２１側に配置されていてよく、蓄積領域１６の深さ位置よりも上面２１側に配置されていてよく、ベース領域１４の深さ位置よりも上面２１側に配置されていてもよい。
このような構成によっても、第２高濃度領域１０７を、第１高濃度領域１０６よりも深さ方向において広い範囲に設けることができる。第２高濃度領域１０７のドーピング濃度分布は、深さ位置Ｚ２において第２ドーピング濃度ピーク１０９を有してよい。本例においても、第２高濃度領域１０７の全体において、ドーピング濃度はバルク・ドナー濃度より高くてよい。
図１０は、半導体基板１０に水素イオンを照射する工程の一例を説明する図である。本例においては、活性部１６０と、エッジ終端構造部９０の両方に、同時に水素イオンを照射する。これにより、水素イオンの照射コストを低減する。
まず、半導体基板１０の下面２３において、活性部１６０が設けられる領域に選択的に遮蔽部２００を形成する。遮蔽部２００は、境界部７２の少なくとも一部にも設けられてよい。遮蔽部２００は、例えば感光性のフォトレジストである。半導体基板１０の下面２３のうち、第２高濃度領域１０７を形成する領域は、遮蔽部２００に覆われずに露出している。
次に、半導体基板１０の下面２３全体に、プロトン等の水素イオンを照射する。このとき、遮蔽部２００に覆われていない領域では水素イオンが半導体基板１０を貫通し、遮蔽部２００で覆われている領域では水素イオンが半導体基板１０を貫通しない加速エネルギーで、水素イオンを加速する。これにより、遮蔽部２００で覆われた活性部１６０では、水素注入領域１４０に水素が注入される。遮蔽部２００の厚みを調整することで、水素注入領域１４０の深さ位置を調整できる。このような工程により、第１高濃度領域１０６と、第２高濃度領域１０７とを、同一の水素イオン照射工程により形成できる。
図１１は、半導体装置１００の製造方法の一例を示す図である。本例においては、段階Ｓ１１００において、半導体装置１００の上面構造を形成する。半導体基板１０の上面２１側に設けられる構造を指し、例えばトレンチ部、エミッタ領域１２、ベース領域１４、蓄積領域１６、層間絶縁膜３８、エミッタ電極５２、ゲート配線等を含む。
次に段階Ｓ１１０２において、半導体基板１０の下面２３側を研削して、半導体基板１０の厚みを調整する。次に段階Ｓ１１０４の処理において、半導体基板１０の下面構造を形成する。本例では段階Ｓ１１０４において、カソード領域８２およびコレクタ領域２２にドーパントを注入し、段階Ｓ１１０６で局所的にレーザーアニールを行うことで、カソード領域８２およびコレクタ領域２２を形成する。
次に段階Ｓ１１０８において、半導体基板１０の下面２３側に遮蔽部２００を選択的に形成する。遮蔽部２００を形成した後に、段階Ｓ１１１０において下面２３側から水素イオンを照射する。段階Ｓ１１１２において遮蔽部２００を除去する。遮蔽部２００を除去した後に、バッファ領域２０に水素イオンを注入する。次に、段階Ｓ１１１６において半導体基板１０を熱処理する。段階Ｓ１１１６においては、アニール炉によって半導体基板１０の全体を熱処理してよい。これにより水素が拡散して、第１高濃度領域１０６、第２高濃度領域１０７およびバッファ領域２０が形成される。次に、下面２３にコレクタ電極２４を形成する。これにより、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、請求の範囲の記載から明らかである。
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。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・・・低濃度領域、２０・・・バッファ領域、２１・・・上面、２２・・・コレクタ領域、２３・・・下面、２４・・・コレクタ電極、２５・・・ピーク、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、４８・・・ゲートランナー、５０・・・ゲート金属層、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、７２・・・境界部、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、９４・・・フィールドプレート、１００・・・半導体装置、１０２・・・端辺、１０６・・・第１高濃度領域、１０７・・・第２高濃度領域、１０８・・・第１ドーピング濃度ピーク、１０９・・・第２ドーピング濃度ピーク、１１２・・・ゲートパッド、１３０・・・外周ゲート配線、１３１・・・活性側ゲート配線、１４０・・・水素注入領域、１４１・・・第１水素濃度ピーク、１４２・・・第２水素濃度ピーク、１６０・・・活性部、１７４・・・チャネルストッパ、２００・・・遮蔽部

Claims (13)

  1. バルク・ドナーを含む半導体基板と、
    前記半導体基板に設けられた活性部と、
    前記半導体基板の上面において、前記活性部と前記半導体基板の端辺との間に設けられたエッジ終端構造部と
    を備え、
    前記活性部は、水素を含み、且つ、前記バルク・ドナーの濃度よりも高いドナー濃度の第１高濃度領域を有し、
    前記エッジ終端構造部は、前記半導体基板の深さ方向において前記第１高濃度領域よりも広い範囲に設けられ、水素を含み、且つ、前記バルク・ドナーの濃度よりも高いドナー濃度の第２高濃度領域を有する
    半導体装置。
  2. 前記第２高濃度領域は、前記半導体基板の前記上面に接している
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１高濃度領域における前記深さ方向における水素濃度分布は、前記半導体基板の前記上面側において、第１水素濃度ピークを有する
    請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記エッジ終端構造部において、前記第１水素濃度ピークと同一の深さ位置における水素濃度は、前記第１水素濃度ピークにおける水素濃度よりも低い
    請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記活性部は、前記半導体基板の前記上面に設けられたトレンチ部を有し、
    前記第１水素濃度ピークは、前記半導体基板の前記深さ方向の中央から、前記トレンチ部の底部までの領域に配置されている
    請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記第１水素濃度ピークにおけるドナー濃度が、１．０×１０１３／ｃｍ３以上、２．０×１０１４／ｃｍ３以下である
    請求項３から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第１水素濃度ピークにおけるドナー濃度が、前記第１水素濃度ピークよりも前記半導体基板の下面側の前記第１高濃度領域におけるドナー濃度の３倍以上、７倍以下である
    請求項３から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第１水素濃度ピークよりも前記半導体基板の下面側の深さ位置において、前記第１高濃度領域のドナー濃度と、前記第２高濃度領域のドナー濃度とが同一である
    請求項３から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第１水素濃度ピークよりも前記半導体基板の上面側の深さ位置において、前記第２高濃度領域のドナー濃度は、前記活性部のドナー濃度よりも高い
    請求項３から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記活性部は、前記半導体基板の前記上面に設けられたゲートトレンチ部を、配列方向に沿って予め定められた間隔で複数有し、
    複数の前記ゲートトレンチ部のうち、前記配列方向において最も端に配置された前記ゲートトレンチ部と、前記第２高濃度領域との前記配列方向における距離が、前記第１水素濃度ピークの標準偏差の３倍以上である
    請求項３から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体基板の前記上面において前記活性部と前記エッジ終端構造部との間に設けられ、前記半導体基板の前記上面から前記ゲートトレンチ部の下端よりも深くまで設けられたＰ型のウェル領域を有し、
    前記配列方向における前記第１高濃度領域と前記第２高濃度領域との境界が、前記深さ方向において前記ウェル領域と重なっている
    請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の下面において、前記活性部が設けられる領域に遮蔽部を形成し、且つ、前記第２高濃度領域が設けられる領域の前記半導体基板の下面を露出させた状態で、前記半導体基板の前記下面から水素を照射する水素照射段階と、
    前記半導体基板を熱処理する熱処理段階と
    を備える製造方法。
  13. 前記水素照射段階において、前記第２高濃度領域が設けられる領域に照射される前記水素は前記半導体基板を貫通し、前記活性部が設けられる領域に照射される前記水素は、前記半導体基板を貫通しない
    請求項１２に記載の製造方法。
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