WO2020138218A1 - 半導体装置および製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method.
- Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 2016-204227
- the range of the donor region and the donor concentration that are generated by the bonding of crystal defects and hydrogen can be accurately controlled.
- a semiconductor device including a semiconductor substrate having an upper surface and a lower surface.
- the hydrogen concentration distribution may have a hydrogen concentration peak in the depth direction connecting the upper surface and the lower surface of the semiconductor substrate.
- the helium concentration distribution may have a helium concentration peak.
- the donor concentration distribution may have a first donor concentration peak and a second donor concentration peak.
- the hydrogen concentration peak and the first donor concentration peak may be arranged at the first depth.
- the helium concentration peak and the second donor concentration peak may be arranged at a second depth deeper than the first depth with reference to the lower surface.
- Each concentration peak may have an upward slope where the concentration value increases from the lower surface to the upper surface.
- the value obtained by normalizing the slope of the upward slope of the second donor concentration peak by the slope of the slope of the helium concentration peak is the slope of the slope of the first donor concentration peak is the slope of the upward slope of the hydrogen concentration peak. It may be smaller than the standardized value.
- each concentration peak may have a downward slope where the concentration value decreases from the lower surface toward the upper surface.
- the slope of the ascending slope may be smaller than the slope of the descending slope.
- the slope of the ascending slope may be smaller than the slope of the descending slope.
- the donor concentration distribution between the first depth and the second depth may have a flat region where the donor concentration is almost constant.
- the length of the flat region in the depth direction may be 10% or more of the thickness of the semiconductor substrate in the depth direction.
- the donor concentration distribution between the first depth and the second depth may have a flat region where the donor concentration is almost constant.
- the length of the flat region in the depth direction may be 10 ⁇ m or more.
- the minimum donor concentration of the flat region may be higher than the donor concentration of the semiconductor substrate.
- the minimum value of the donor concentration between the first depth and the second depth may be higher than the donor concentration of the semiconductor substrate.
- the concentration value of the helium concentration peak may be smaller than the concentration value of the hydrogen concentration peak.
- the semiconductor device may include an N-type drift region provided on the semiconductor substrate.
- the semiconductor device may include an emitter region provided in contact with the upper surface of the semiconductor substrate and having a donor concentration higher than that of the drift region.
- the semiconductor device may include a P-type base region provided between the emitter region and the drift region.
- the semiconductor device may include a P-type collector region provided in contact with the lower surface of the semiconductor substrate.
- An N-type buffer region, which is provided between the collector region and the drift region and has one or more donor concentration peaks having a higher donor concentration than the drift region, may be provided.
- the first donor concentration peak may be a buffer region donor concentration peak.
- the semiconductor device may include an accumulation region provided between the base region and the drift region and having one or more donor concentration peaks having a higher donor concentration than the drift region.
- the second donor concentration peak may be the donor concentration peak of the accumulation region.
- the accumulation region may have a donor concentration peak due to a donor other than hydrogen, in addition to the second donor concentration peak.
- the second donor concentration peak may be arranged between the buffer area and the accumulation area.
- the semiconductor device may include a gate trench portion provided on the upper surface of the semiconductor substrate.
- the second donor concentration peak may be arranged between the bottom of the gate trench portion and the upper surface of the semiconductor substrate.
- the semiconductor device may include an active part provided on the semiconductor substrate.
- the semiconductor device may include an edge termination structure portion provided so as to surround the active portion in a top view of the semiconductor substrate.
- the semiconductor substrate may have a passage region through which the injected helium passes at the position of the helium concentration peak. In the depth direction, the pass region provided in the edge termination structure may be shorter than the pass region provided in the active portion, or the pass region may not be provided in the edge termination structure.
- the semiconductor device may include a transistor section and a diode section provided on the semiconductor substrate.
- the pass region provided in the diode part may be shorter than the pass region provided in the transistor part, or the pass region may not be provided in the diode part.
- the passage area provided in the transistor portion is shorter than the passage area provided in the diode portion, or the passage area may not be provided in the transistor portion.
- the first depth may be included in a range of 5 ⁇ m or less from the lower surface in the depth direction.
- the donor concentration at the hydrogen concentration peak may be 1 ⁇ 10 15 /cm 3 or more and 1 ⁇ 10 17 /cm 3 or less.
- a semiconductor device including a semiconductor substrate having an upper surface and a lower surface.
- the hydrogen concentration distribution in the depth direction connecting the upper surface and the lower surface of the semiconductor substrate is a hydrogen concentration peak arranged in the range of 5 ⁇ m or less in the depth direction from the lower surface, and a helium concentration arranged on the upper surface side of the hydrogen concentration peak. And a peak.
- the semiconductor substrate has an impurity concentration peak between the lower surface and the hydrogen concentration peak, and the impurity may be argon or fluorine.
- a third aspect of the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect.
- the manufacturing method may include a first implantation step of implanting hydrogen from the lower surface of the semiconductor substrate to the first depth.
- the manufacturing method may include a second implantation step of implanting helium from the lower surface of the semiconductor substrate to a second depth to form a passage region through which helium has passed.
- the manufacturing method may include a diffusion step in which the semiconductor substrate is heat-treated to diffuse the hydrogen implanted into the first depth into the passage region. In the semiconductor substrate heat-treated in the diffusion step, the dose amount of hydrogen in the first implantation step is set so that the minimum value of the donor concentration of the passage region is higher than the donor concentration of the semiconductor substrate before the implantation of hydrogen. Good.
- hydrogen may be implanted at a dose amount that is equal to or higher than the minimum dose amount determined by the diffusion coefficient of hydrogen in the semiconductor substrate and the second depth.
- the semiconductor substrate is a silicon substrate, and when the second depth from the lower surface is x (cm), the hydrogen dose Q (/cm 2 ) in the first implantation step may satisfy the following formula. Q ⁇ 1.6 ⁇ 10 13 ⁇ e 0.06x
- hydrogen may be implanted to the first depth by plasma doping.
- the lower surface of the semiconductor substrate may be ground.
- the lower surface of the semiconductor substrate may be laser annealed.
- FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the semiconductor device 100.
- FIG. The hydrogen concentration distribution, the helium concentration distribution, the donor concentration distribution, and the vacancy defect concentration distribution 175 in the depth direction are shown at the position indicated by the line AA in FIG. It is a figure explaining the relationship between the hydrogen concentration peak 131 and the 1st donor concentration peak 111. It is a figure explaining the relationship between the helium concentration peak 141 and the 2nd donor concentration peak 121. It is a figure explaining the inclination of the uphill slope 142. It is a figure explaining the other definition of the standardization of the inclination of the uphill slope 112. It is a figure explaining other definitions of standardization of the slope of uphill slope 122.
- FIG. 3 is a diagram showing a structural example of a semiconductor device 100.
- FIG. FIG. 7 is a diagram showing an example of carrier concentration distribution in the depth direction at the position of line BB in FIG. 6.
- FIG. 6 is a diagram showing another structural example of the semiconductor device 100.
- FIG. 9 is a diagram showing an example of a carrier concentration distribution in the depth direction at the position of line CC in FIG. 8. The hydrogen concentration distribution, the helium concentration distribution, and the carrier concentration distribution in the depth direction at the position indicated by the line AA in FIG. 1 are shown.
- FIG. 5 is a diagram showing an arrangement example of each element on the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- FIG. 12 is a diagram showing an example of a cc′ cross section in FIG.
- FIG. 11 It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. 6 is a diagram illustrating a minimum film thickness M of the photoresist film 200 for preventing helium ions from entering the semiconductor substrate 10. It is a figure which shows the other example of arrangement
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a hydrogen chemical concentration distribution and an argon chemical concentration distribution in the vicinity of a hydrogen concentration peak 131.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a hydrogen chemical concentration distribution and an argon chemical concentration distribution in the vicinity of a hydrogen concentration peak 131.
- FIG. 6 is a diagram showing another structural example of the semiconductor device 100.
- 30 shows an example of carrier concentration distribution, hydrogen chemical concentration distribution, and boron chemical concentration distribution in the DD line of FIG. 31 shows an example of the carrier concentration distribution, the hydrogen chemical concentration distribution, and the phosphorus chemical concentration distribution on the line EE of FIG.
- FIG. 7 is a diagram showing a part of the method of manufacturing the semiconductor device 100.
- FIG. 7 is a diagram showing a part of the method of manufacturing the semiconductor device 100.
- An example of a step of implanting hydrogen ions to the first depth Z1 and implanting helium ions to the second depth Z2 in the lower surface side structure formation step will be shown.
- Another example of the step of implanting hydrogen ions to the first depth Z1 and implanting helium ions to the second depth Z2 in the lower surface side structure formation step will be described.
- one side in the direction parallel to the depth direction of the semiconductor substrate is called “upper” and the other side is called “lower”.
- one surface is called the upper surface and the other surface is called the lower surface.
- the “up” and “down” directions are not limited to the gravity direction or the direction when the semiconductor device is mounted.
- orthogonal coordinate axes of the X axis, Y axis, and Z axis The Cartesian coordinate axes only specify the relative positions of the components and do not limit the specific directions.
- the Z-axis does not limit the height direction to the ground.
- the +Z axis direction and the ⁇ Z axis direction are directions opposite to each other. When the positive and negative signs are not described and the Z axis direction is described, it means a direction parallel to the +Z axis and the ⁇ Z axis.
- the chemical concentration refers to the concentration of impurities measured regardless of the activation state.
- the chemical concentration can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS).
- SIMS secondary ion mass spectrometry
- the concentration difference between the donor and the acceptor may be the concentration of the larger one of the donor and the acceptor.
- the concentration difference can be measured by a voltage-capacitance measuring method (CV method).
- the carrier concentration measured by the spread resistance measuring method (SR) may be the concentration of the donor or the acceptor.
- the concentration distribution of the donor or the acceptor has a peak
- the peak value may be the concentration of the donor or the acceptor in the region.
- the average value of the donor or acceptor concentration in the region may be the donor or acceptor concentration.
- Unit systems herein are SI unit systems unless otherwise noted. Although the unit of length may be displayed in cm, various calculations may be performed after converting to meters (m).
- FIG. 1 is a sectional view showing an example of a semiconductor device 100.
- the semiconductor device 100 includes a semiconductor substrate 10.
- the semiconductor substrate 10 is a substrate made of a semiconductor material.
- the semiconductor substrate 10 is a silicon substrate.
- the semiconductor substrate 10 has a donor concentration that is determined by impurities and the like that are injected at the time of manufacturing.
- the conductivity type of the semiconductor substrate 10 of this example is N-type.
- the donor concentration in the semiconductor substrate 10 may be referred to as the substrate concentration.
- the semiconductor substrate 10 has an upper surface 21 and a lower surface 23.
- the upper surface 21 and the lower surface 23 are two main surfaces of the semiconductor substrate 10.
- the orthogonal axes in the plane parallel to the upper surface 21 and the lower surface 23 are the X axis and the Y axis
- the axis perpendicular to the upper surface 21 and the lower surface 23 is the Z axis.
- semiconductor elements such as IGBT and FWD are formed on the semiconductor substrate 10, these element structures are omitted in FIG.
- Hydrogen ions and helium ions are implanted into the semiconductor substrate 10 from the lower surface 23 side.
- the hydrogen ion in this example is a proton.
- Hydrogen ions are implanted to a depth Z1 in the depth direction (Z axis direction) of the semiconductor substrate 10.
- Helium ions are implanted at the depth Z2.
- the one closer to the lower surface 23 is the first depth Z1 and the one deeper than the first depth Z1 when viewed from the lower surface 23 is the second depth Z2.
- the injected hydrogen and helium are schematically shown by X, but hydrogen and helium are also distributed around the injection positions Z1 and Z2.
- the first depth Z1 may be arranged on the lower surface 23 side in the depth direction of the semiconductor substrate 10.
- the first depth Z1 may be arranged in the range of half the thickness of the semiconductor substrate 10 or less with respect to the lower surface 23, and may be arranged in the range of 1 ⁇ 4 or less of the thickness of the semiconductor substrate 10. Good.
- the second depth Z2 may be arranged on the upper surface 21 side in the depth direction of the semiconductor substrate 10.
- the second depth Z2 may be arranged in the range of half or less of the thickness of the semiconductor substrate 10 with the upper surface 21 as a reference, and may be arranged in the range of 1 ⁇ 4 or less of the thickness of the semiconductor substrate 10. Good.
- the first depth Z1 and the second depth Z2 are not limited to these ranges.
- the helium ions implanted to the second depth Z2 pass through the passage region 106 from the lower surface 23 to the second depth Z2.
- vacancy defects such as vacancies (V) and compound vacancies (VV) occur due to the passage of helium ions.
- the pores include double pores unless otherwise specified.
- the void density in the passage region 106 can be adjusted by the dose amount of the helium ions implanted into the second depth Z2.
- VOH defects are formed by the bonding of vacancies (V) existing in the passage region 106 and oxygen (O) with hydrogen (H).
- the VOH defect functions as a donor that supplies electrons.
- the donor concentration of the passage region 106 can be made higher than the donor concentration Db (or the specific resistance or the base doping concentration) at the time of manufacturing the semiconductor ingot which is the base of the semiconductor substrate 10. Therefore, the donor concentration of the semiconductor substrate 10 can be easily adjusted according to the characteristics that the element formed on the semiconductor substrate 10 should have.
- VOH defects having a distribution similar to the chemical concentration distribution of hydrogen and VOH defects similar to the distribution of vacancy defects in the passage region 106 are used as hydrogen donors or donors. Of hydrogen.
- the dopant for setting the base doping concentration Db is a dopant added at the time of manufacturing a semiconductor ingot.
- the semiconductor ingot is silicon
- n-type may be phosphorus, antimony, or arsenic
- p-type may be boron, aluminum, or the like.
- the respective dopants may be used.
- the method for manufacturing the semiconductor ingot may be any of the float zone (FZ) method, the Czochralski (CZ) method, and the magnetic field application Czochralski (MCZ) method.
- the semiconductor substrate 10 having the base doping concentration Db must be prepared in accordance with the characteristics of the element to be formed on the semiconductor substrate 10, particularly the rated voltage or the breakdown voltage.
- the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 by controlling the dose amount and implantation depth of hydrogen ions and helium ions, the donor concentration and the passage region of the semiconductor substrate 10 when the semiconductor device 100 is completed.
- the range of 106 can be partially higher than the base doping concentration Db. Therefore, even if the semiconductor substrate 10 having different base doping concentrations is used, an element having a predetermined rated voltage or withstand voltage characteristic can be formed.
- the dose amounts of hydrogen ions and helium ions can be controlled with relatively high accuracy. Therefore, the concentration of vacancies (V) generated by implanting helium ions can be controlled with high precision, and the donor concentration of the passage region 106 can be controlled with high precision.
- FIG. 2 shows the hydrogen concentration distribution, the helium concentration distribution, the donor concentration distribution, and the vacancy defect concentration distribution 175 in the depth direction at the position shown by the line AA in FIG.
- the horizontal axis of FIG. 2 represents the depth position from the lower surface 23, and the vertical axis represents the hydrogen concentration, the helium concentration, the donor concentration, and the vacancy defect concentration per unit volume on the logarithmic axis.
- the vacancy defect concentration distribution 175 is a distribution immediately after ion implantation of hydrogen ions and helium ions. When the semiconductor device 100 is completed, vacancies are reduced or disappeared as compared with immediately after the ion implantation, and the concentration distribution different from that in FIG. 2 is shown.
- the donor concentration in FIG. 2 is an electrically activated doping concentration measured by, for example, the CV method or the SR method.
- the hydrogen concentration distribution, the helium concentration distribution, and the vacancy defect concentration distribution 175 are shown by broken lines, and the donor concentration distribution is shown by a solid line.
- the hydrogen concentration distribution has a hydrogen concentration peak 131.
- the helium concentration distribution has a helium concentration peak 141.
- the hydrogen concentration peak 131 has a maximum value at the first depth Z1.
- the helium concentration peak 141 has a maximum value at the second depth Z2.
- the donor concentration distribution has a first donor concentration peak 111 and a second donor concentration peak 121.
- the first donor concentration peak 111 has a maximum value at the first depth Z1.
- the second donor concentration peak 121 has a maximum value at the second depth Z2.
- the position where the first donor concentration peak 111 has the maximum value does not have to be exactly the same as the first depth Z1.
- the first donor concentration peak 111 may be disposed substantially at the first depth Z1.
- the second donor concentration peak 121 is increased.
- the peak 121 may be located substantially at the second depth Z2.
- the vacancy defect concentration distribution 175 has a first vacancy concentration peak corresponding to the hydrogen concentration peak 131 and a second vacancy concentration peak (vacancy concentration peak 171) corresponding to the helium concentration peak 141. However, illustration of the first vacancy concentration peak is omitted.
- the vacancy concentration peak 171 has a maximum value at the second depth Z2.
- Each concentration peak has an upward slope in which the concentration value increases and a downward slope in which the concentration value decreases from the lower surface 23 to the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- the hydrogen concentration peak 131 has an upslope 132 and a downslope 133.
- the helium concentration peak 141 has an upslope 142 and a downslope 143.
- the first donor concentration peak 111 has an upslope 112 and a downslope 113.
- the second donor concentration peak 121 has an upslope 122 and a downslope 123.
- the vacancy concentration peak 171 has an upslope 172 and a downslope 173.
- the donor existing in the semiconductor substrate 10 before the implantation of hydrogen ions that is, the base doping concentration (concentration Db), the donor in which the implanted hydrogen is activated, and the VOH defect described above. And are included.
- concentration Db concentration of hydrogen ions
- the rate at which hydrogen is activated as a donor is, for example, about 1%.
- the donor by the VOH defect corresponding to the vacancy defect concentration is more than the donor by the VOH defect corresponding to the hydrogen chemical concentration.
- the donor concentration is rate-limited by the concentration of vacancy defects.
- the VOH defect corresponding to the hydrogen chemical concentration refers to a VOH defect in which the hydrogen chemical concentration is more dominant than the vacancy defect concentration.
- the VOH defect corresponding to the vacancy defect concentration refers to a VOH defect in which the vacancy defect concentration is more dominant than the hydrogen chemical concentration.
- the VOH defects in which the hydrogen chemical concentration distribution is dominant have the following meanings.
- the distribution of the donor concentration due to the VOH defects is the distribution of the hydrogen chemical concentration. Is similar to. As an example, it can be said that when the hydrogen chemical concentration is higher than the vacancy defect concentration at a certain depth and in the vicinity thereof, the hydrogen chemical concentration distribution becomes the dominant VOH defect donor concentration distribution.
- a VOH defect in which the vacancy defect concentration distribution 175 is dominant means that the distribution of the donor concentration due to the VOH defect is similar to the distribution of the vacancy defect concentration because the vacancy defect concentration is sufficiently higher than the hydrogen chemical concentration. Is shown. As an example, it can be said that the vacancy defect concentration distribution 175 becomes the dominant VOH defect donor concentration distribution when the vacancy defect concentration is higher than the hydrogen chemical concentration at a certain depth and in the vicinity thereof.
- holes (V, VV, etc.) generated by passage of hydrogen have depths as shown in FIG. It is considered that the distribution is almost uniform in the direction. In addition, it is considered that oxygen (O) that is injected at the time of manufacturing the semiconductor substrate 10 is evenly distributed in the depth direction. In addition, since hydrogen of the hydrogen concentration peak 131 diffuses in the passage region 106, a sufficient amount of hydrogen exists. These form a flat donor distribution as VOH defects.
- the passage region 106 other than the vicinity of the first depth Z1 and the second depth Z2 there is a flat region 150 in which VOH defects functioning as donors are distributed almost uniformly.
- the donor concentration distribution in the flat region 150 is almost constant in the depth direction.
- the donor concentration being substantially constant in the depth direction means, for example, that a region where the difference between the maximum value and the minimum value of the donor concentration is within 50% of the maximum value of the donor concentration is continuous in the depth direction. You can point.
- the difference may be 30% or less of the maximum value of the donor concentration of the region, and may be 10% or less.
- the value of the donor concentration distribution may be within ⁇ 50% of the average concentration of the donor concentration distribution in a predetermined range in the depth direction, or within ⁇ 30% of the average concentration of the donor concentration distribution. Well, it may be within ⁇ 10%.
- the predetermined range in the depth direction may be as follows as an example. That is, assuming that the length from the first depth Z1 to the second depth Z2 is Z L , from the center Zc between Z1 and Z2, the first depth Z1 side and the second depth Z2 side Further, a section having a length of 0.5Z L between two points separated by 0.25Z may be set as the range. Depending on the length of the flat region 150, the length of the predetermined range may be a 0.75Z L, may be a 0.3Z L, it may be 0.9Z L.
- the range in which the flat region 150 is provided can be controlled by the position of the helium concentration peak 141.
- the flat region 150 is provided between the hydrogen concentration peak 131 and the helium concentration peak 141.
- the donor concentration of the flat region 150 can be controlled by the dose amount of helium ions at the helium concentration peak 141. By increasing the dose amount of helium ions, the number of vacancies (V) generated in the passage region 106 increases and the donor concentration increases.
- the acceleration energy of the helium ions may be increased to a value at which the helium ions penetrate (penetrate) the semiconductor substrate 10. That is, the helium concentration peak 141 may not be left on the semiconductor substrate 10. Thereby, it is possible to increase the concentration of vacancy defects.
- the acceleration energy is excessively large, the substrate may be damaged too much during the ion implantation, and the flatness may not be maintained in the distribution of the vacancy defects in the passage region 106. Therefore, the helium concentration peak 141 may be located inside the semiconductor substrate 10.
- the second donor concentration peak 121 also tends to have a larger peak spread than the first donor concentration peak 111. That is, the second donor concentration peak 121 tends to be a gentler peak than the first donor concentration peak 111.
- the concentration value of the hydrogen concentration peak 131 is larger than the concentration value of the helium concentration peak 141.
- the concentration value of the hydrogen concentration peak 131 may be 10 times or more the concentration value of the helium concentration peak 141, or may be 100 times or more. In another example, the concentration value of the hydrogen concentration peak 131 may be equal to or lower than the concentration value of the helium concentration peak 141.
- the concentration value of the hydrogen concentration peak 131 is high, the amount of hydrogen activated as a donor in the hydrogen concentration peak 131 is relatively large.
- the ratio of donors of VOH defects whose hydrogen chemical concentration distribution is dominant is higher than that of the vacancy defect concentration distribution 175.
- the shape of the first donor concentration peak 111 is similar to the shape of the hydrogen concentration peak 131.
- the helium concentration peak 141 is apart from the hydrogen concentration peak 131, the amount of hydrogen activated as a donor at the helium concentration peak 141 is small. That is, the ratio of VOH defect donors in which the vacancy defect concentration distribution 175 is dominant is relatively higher than that of VOH defect donors in which the hydrogen chemical concentration distribution is dominant.
- the similarity between the shape of the second donor concentration peak 121 and the shape of the helium concentration peak 141 is smaller than the similarity between the shape of the first donor concentration peak 111 and the shape of the hydrogen concentration peak 131. .. Since it is considered that the VOH defects are distributed almost uniformly in most of the passage region 106, the second donor concentration peak 121 has a more gentle shape.
- the similarity of the peak shapes may be an index showing a smaller value as the difference in slope of the corresponding slope between the hydrogen concentration peak or the helium concentration peak and the donor concentration peak increases.
- the flat region 150 can be provided between the first depth Z1 and the second depth Z2.
- the length of the flat region 150 in the depth direction may be 10% or more, 30% or more, and 50% or more of the thickness of the semiconductor substrate 10 in the depth direction.
- the length of the flat region 150 in the depth direction may be 10 ⁇ m or more, 30 ⁇ m or more, 50 ⁇ m or more, and 100 ⁇ m or more.
- the minimum donor concentration of the flat region 150 may be higher than the base doping concentration Db of the semiconductor substrate 10. That is, the donor concentration of the flat region 150 may be higher than the base doping concentration Db over the entire flat region 150.
- the difference between the donor concentration of the flat region 150 and the base doping concentration Db of the semiconductor substrate 10 can be adjusted by the helium dose amount at the helium concentration peak 141, for example.
- the minimum value of the donor concentration between the first depth Z1 and the second depth Z2 may be higher than the base doping concentration of the semiconductor substrate 10.
- An N-type region may be continuously provided between the hydrogen concentration peak 131 and the helium concentration peak 141. Further, the minimum value of the donor concentration between the second depth Z2 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 may be higher than the donor concentration of the semiconductor substrate 10.
- FIG. 3A is a diagram illustrating the relationship between the hydrogen concentration peak 131 and the first donor concentration peak 111.
- the slope 134 of the upward slope 132 of the hydrogen concentration peak 131 is used to normalize the slope 114 of the upward slope 112 of the first donor concentration peak 111.
- the normalization is a process of dividing the slope 114 by the slope 134 as an example.
- the inclination may be used to mean the absolute value of the inclination.
- the slope of the ascending slope may be the slope between the position where the concentration has a maximum value and the position where the concentration has a predetermined ratio with respect to the maximum value.
- the predetermined ratio may be 80%, 50%, 10%, 1% and other ratios may be used.
- the slope 134 of the hydrogen concentration peak 131 is given by (H1-aH1)/(Z1-Z3), and the slope 114 of the first donor concentration peak 111 is (D1-aD1)/(Z1- Z4) is given.
- H1 is the hydrogen concentration at the first depth Z1
- D1 is the donor concentration at the first depth Z1
- a is a predetermined ratio
- Z3 is hydrogen at the up slope 132 of the hydrogen concentration peak 131.
- the concentration is a depth at which the donor concentration is aH1
- Z4 is the depth at which the donor concentration is aD1 in the upslope 112 of the first donor concentration peak 111.
- the slope 114 is standardized by the slope 134, it becomes (D1-aD1)(Z1-Z3)/ ⁇ (H1-aH1)(Z1-Z4) ⁇ .
- the inclination obtained by normalizing the inclination 114 with the inclination 134 is ⁇ .
- FIG. 3B is a diagram illustrating the relationship between the helium concentration peak 141 and the second donor concentration peak 121.
- the slope 144 of the upward slope 142 of the helium concentration peak 141 is used to standardize the slope 124 of the upward slope 122 of the second donor concentration peak 121.
- the slope 144 of the helium concentration peak 141 is given by (H2-aH2)/(Z2-Z5), and the slope 124 of the second donor concentration peak 121 is (D2-aD2)/(Z2- Z6).
- H2 is the helium concentration at the second depth Z2
- D2 is the donor concentration at the second depth Z2
- a is a predetermined ratio
- Z5 is helium at the upward slope 142 of the helium concentration peak 141.
- the concentration is a depth at which the donor concentration becomes aH2
- Z6 is the depth at which the donor concentration becomes aD2 in the upward slope 122 of the second donor concentration peak 121.
- the ratio a used to normalize the slope of the second donor concentration peak 121 may be the same as or different from the ratio a used to normalize the slope of the first donor concentration peak 111. ..
- the slope 124 when the slope 124 is standardized by the slope 144, it becomes (D2-aD2)(Z2-Z5)/ ⁇ (Z2-Z6)(H2-aH2) ⁇ .
- ⁇ be the slope obtained by normalizing the slope 124 with the slope 144.
- the standardized slope ⁇ of the upward slope 122 of the second donor concentration peak 121 is smaller than the standardized slope ⁇ of the upward slope 112 of the first donor concentration peak 111. That is, the second donor concentration peak 121 is a gentler peak with respect to the concentration peak of hydrogen or helium than the first donor concentration peak 111.
- the flat region 150 can be formed by implanting hydrogen ions and helium ions so that the second donor concentration peak 121 is formed. Further, by making the second donor concentration peak 121 have a gentle shape, it is possible to moderate the change in the donor concentration at the tip of the flat region 150.
- the normalized slope ⁇ of the upslope 122 of the second donor concentration peak 121 may be less than or equal to 1 times the normalized slope ⁇ of the upslope 112 of the first donor concentration peak 111, 0.1 It may be less than or equal to double, or less than or equal to 0.01.
- the slope 144 of the upward slope 142 of the helium concentration peak 141 may be smaller than the slope 145 of the downward slope 143. Since the concentration distribution of the helium ions implanted at a deep position from the lower surface 23 may have a gentle skirt on the lower surface 23 side, by comparing the slope 144 of the ascending slope 142 and the slope 145 of the descending slope 143, It may be possible to determine whether or not the helium of the helium concentration peak 141 is injected from the lower surface 23 side.
- the slope 145 is given by (H2-aH2)/(Z7-Z2).
- the slope 125 is given by (D2-aD2)/(Z7-Z2). Note that in FIG.
- the slope 124 of the upward slope 122 of the second donor concentration peak 121 is larger than the slope 125 of the downward slope 123, but like the helium concentration peak 141, the upward slope of the second donor concentration peak 121.
- the slope 124 of the slope 122 may be smaller than the slope 125 of the down slope 123.
- FIG. 3C is a diagram illustrating the slope of the uphill slope 142.
- the slope of the ascending slope 142 may be considered as follows. As shown in FIG. 3C, in the helium concentration peak 141, the width (10% full width) between the two positions Z8 and Z9 at which the concentration becomes 10% (0.1 ⁇ H2) of the peak concentration H2, FW 10%M.
- the two positions Z8 and Z9 are the two positions closest to the peak position Z2 among the points where the helium concentration is 0.1 ⁇ H2 with the peak position Z2 sandwiched therebetween.
- the position on the hydrogen concentration peak side of the two positions Z8 and Z9 is Z8.
- the slope of the donor concentration at the position Z8 is almost flat.
- the slope of the helium concentration at the position Z8 exceeds 100 times the slope of the donor concentration at the position Z8.
- the slope of the helium concentration at the position Z8 may be 100 times or more the slope of the donor concentration at the position Z8, and may be 1000 times or more.
- FIG. 4A is a diagram illustrating another definition of standardization of the slope of the upslope 112. In normalizing the slope of the upslope 112, for example, the following index ⁇ is introduced.
- the position Z3 is a predetermined position here.
- the position Z3 may be a position where the hydrogen concentration distribution and the donor concentration distribution have the upward slopes 132 and 112 on the lower surface side with respect to the position Z1.
- the hydrogen concentration at position Z3 is a ⁇ H1, and the donor concentration is b ⁇ D1.
- a is the ratio of the hydrogen concentration at the position Z3 to the concentration H1 of the hydrogen concentration peak 131 at the position Z1.
- b is the ratio of the donor concentration at the position Z3 to the concentration D1 of the first donor concentration peak 111 at the position Z1.
- the ratio of the slopes of the hydrogen concentration and the donor concentration in the sections Z3 to Z1 and the slope ratio ⁇ that normalizes the ratio of the slopes are introduced.
- the ratio of the slope of the hydrogen concentration in the section Z3 to Z1 is defined as (H1/aH1)/(Z1-Z3).
- the ratio of the gradient of the donor concentration in the sections Z3 to Z1 is defined as (D1/bD1)/(Z1-Z3).
- the gradient ratio ⁇ obtained by normalizing the gradient ratio of the donor concentration by the gradient ratio of the hydrogen concentration in the sections Z3 to Z1 is ⁇ (D1/bD1)/(Z1-Z3) ⁇ / ⁇ (H1/aH1) /(Z1-Z3) ⁇ .
- the normalized slope ratio ⁇ becomes a simple ratio a/b by calculating the above equation.
- FIG. 4B is a diagram illustrating another definition of standardization of the slope of the upslope 122.
- an index ⁇ similar to the index ⁇ is introduced.
- the position Z5 is a predetermined position here.
- the position Z5 may be a position where the helium concentration distribution and the donor concentration distribution are the up slopes 142 and 122 on the lower surface side of the position Z2.
- the helium concentration at the position Z5 is c ⁇ H2, and the donor concentration is d ⁇ D2.
- c is the ratio of the helium concentration at position Z5 to the concentration H2 of the helium concentration peak 141 at position Z2.
- d is the ratio of the donor concentration at the position Z5 to the concentration D2 of the second donor concentration peak 121 at the position Z1.
- the ratio of the helium concentration gradients in the sections Z5 to Z2 is defined as (H2/cH2)/(Z2-Z5).
- the ratio of the gradients of the donor concentrations in the sections Z5 to Z2 is defined as (D2/dD2)/(Z2-Z5).
- the slope ratio ⁇ obtained by normalizing the slope ratio of the donor concentration by the slope ratio of the helium concentration in the sections Z5 to Z2 is ⁇ (D2/dD2)/(Z2-Z5) ⁇ / ⁇ (H2/cH2) /(Z2-Z5) ⁇ .
- the normalized slope ratio ⁇ becomes a simple ratio c/d by calculating the above equation.
- the hydrogen concentration distribution and the donor concentration distribution often have similar shapes.
- having a similar shape means that the donor concentration distribution shows a distribution that reflects the hydrogen concentration distribution, where the horizontal axis is the depth and the vertical axis is the common logarithm of the concentration. That is, in the predetermined section Z3 to Z1, by implanting hydrogen ions and further performing thermal annealing, the donor concentration distribution becomes a distribution that reflects the hydrogen concentration distribution.
- H1 of the hydrogen concentration peak 131 is 1 ⁇ 10 17 atms/cm 3 and the hydrogen concentration aH1 at the position Z3 is 2 ⁇ 10 16 atms/cm 3 , a is 0.2.
- the helium concentration distribution and the donor concentration distribution do not have to have similar shapes. That is, the donor concentration distribution does not have to reflect the helium concentration distribution in the predetermined sections Z5 to Z2.
- H2 of the helium concentration peak 141 is 1 ⁇ 10 16 atms/cm 3 and helium concentration cH2 at the position Z5 is 1 ⁇ 10 15 atms/cm 3 , c is 0.1.
- the normalized inclination ratio ⁇ is 0.2 because it is c/d. That is, at the position Z2 deep enough from the lower surface, the helium concentration distribution slope ratio c is 0.2 times the donor concentration distribution slope ratio d, indicating that the helium concentration distribution has a shape different from the similarity. I can say.
- ⁇ is close to 1 when the peak position of the helium concentration distribution is near the bottom surface, and ⁇ is more than 1 when the peak position of the helium concentration distribution is sufficiently deep from the bottom surface.
- the value may be small enough. That is, the normalized slope ratio ⁇ may be smaller than the normalized slope ratio ⁇ . Further, the slope ratio ⁇ may be 0.9 or less, 0.5 or less, and 0.2 or less. Alternatively, it may be 0.1 or less, or 0.01 or less.
- the second donor concentration peak 121 when the carrier mobility is lowered, the donor concentration calculated from the spreading resistance, that is, the carrier concentration is lower than the carrier concentrations at the front and rear positions at the depth position Z2.
- the ascending slope 122 has a decreasing slope, and therefore d has a negative sign. That is, d is a negative number whose absolute value is 1 or more.
- ⁇ becomes a negative number. That is, the normalized slope ratio ⁇ may be smaller than the normalized slope ratio ⁇ . Further, the slope ratio ⁇ may be 0.9 or less, 0 or less, or ⁇ 1 or less. Alternatively, it may be ⁇ 10 or less and ⁇ 100 or less.
- the actual position of the helium concentration peak 141 and the actual position of the second donor concentration peak 121 may be different.
- the position of the hydrogen concentration peak 131 and the position of the first donor concentration peak 111 may not be exactly the same.
- the concentration of the hydrogen or helium concentration at the peak position may be used as the peak position for convenience. This allows the calculation according to the above definition.
- the helium concentration peak 141 has a maximum value. That is, the helium concentration distribution has a maximum value at the depth Z2. Since the helium concentration peak 141 has the maximum value, it is possible to compare the normalized slope ratios.
- FIG. 5 is a diagram illustrating the flat area 150.
- the flat region 150 is a region where the region where the donor concentration is between a predetermined maximum value max and a predetermined minimum value min is continuous in the depth direction.
- the maximum value max the maximum value of the donor concentration in the region may be used.
- the minimum value min may be a value of 50% of the maximum value max, a value of 70%, or a value of 90%.
- the value of the donor concentration distribution may be within ⁇ 50% of the average concentration of the donor concentration distribution with respect to the average concentration of the donor concentration distribution in a predetermined range in the depth direction, and ⁇ 30%. %, and ⁇ 10%.
- the predetermined range in the depth direction may be the same as described above.
- FIG. 6 is a diagram showing a structural example of the semiconductor device 100.
- the semiconductor device 100 of this example functions as an IGBT.
- the semiconductor device 100 of this example has a semiconductor substrate 10, an interlayer insulating film 38, an emitter electrode 52, and a collector electrode 54.
- the interlayer insulating film 38 is formed so as to cover at least a part of the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10. Through holes such as contact holes are formed in the interlayer insulating film 38. The upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 is exposed by the contact hole.
- the interlayer insulating film 38 may be silicate glass such as PSG and BPSG, and may be an oxide film or a nitride film.
- the emitter electrode 52 is formed on the upper surfaces of the semiconductor substrate 10 and the interlayer insulating film 38.
- the emitter electrode 52 is also formed inside the contact hole and is in contact with the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 exposed by the contact hole.
- the collector electrode 54 is formed on the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the collector electrode 54 may contact the entire lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the emitter electrode 52 and the collector electrode 54 are formed of a metal material such as aluminum.
- Collector region 22 is provided.
- the emitter region 12 is provided in contact with the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 and has a higher donor concentration than the drift region 18.
- the emitter region 12 contains an N-type impurity such as phosphorus.
- the base region 14 is provided between the emitter region 12 and the drift region 18.
- the base region 14 contains a P-type impurity such as boron.
- P-type contact regions (not shown) alternately arranged with the emitter regions 12 are provided.
- the contact region is formed on the upper surface 21 of the base region and may be formed deeper than the emitter region 12. The contact region suppresses the latch-up of the IGBT at turn-off.
- the storage region 16 is provided between the base region 14 and the drift region 18, and has one or more donor concentration peaks having a higher donor concentration than the drift region 18.
- the storage region 16 may contain N-type impurities such as phosphorus, and may contain hydrogen.
- the collector region 22 is provided in contact with the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the acceptor concentration in the collector region 22 may be higher than the acceptor concentration in the base region 14.
- the collector region 22 may contain the same P-type impurity as the base region 14 or may contain different P-type impurities.
- the buffer region 20 is provided between the collector region 22 and the drift region 18, and has one or more donor concentration peaks having a higher donor concentration than the drift region 18.
- the buffer region 20 has an N-type impurity such as hydrogen.
- the buffer region 20 may function as a field stop layer that prevents the depletion layer spreading from the lower surface side of the base region 14 from reaching the collector region 22.
- the gate trench section 40 reaches the drift region 18 from the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 through the emitter region 12, the base region 14 and the storage region 16.
- the accumulation region 16 of this example is arranged above the lower end of the gate trench portion 40.
- the storage region 16 may be provided so as to cover the entire lower surface of the base region 14.
- the gate trench portion 40 has a gate trench formed on the upper surface side of the semiconductor substrate 10, a gate insulating film 42, and a gate conductive portion 44.
- the gate insulating film 42 is formed so as to cover the inner wall of the gate trench.
- the gate insulating film 42 may be formed by oxidizing or nitriding the semiconductor on the inner wall of the gate trench.
- the gate conductive portion 44 is formed inside the gate insulating film 42 inside the gate trench. That is, the gate insulating film 42 insulates the gate conductive portion 44 and the semiconductor substrate 10.
- the gate conductive portion 44 is formed of a conductive material such as polysilicon.
- the gate conductive portion 44 includes a region facing the base region 14 with the gate insulating film 42 interposed therebetween.
- the gate trench portion 40 in the cross section is covered with the interlayer insulating film 38 on the upper surface of the semiconductor substrate 10, but the gate conductive portion 44 is connected to the gate electrode in another cross section.
- a predetermined gate voltage is applied to the gate conductive portion 44, a channel formed by an electron inversion layer is formed in the surface layer of the base region 14 at the interface in contact with the gate trench portion 40.
- the first donor concentration peak 111 may be provided in the buffer region 20.
- the second donor concentration peak 121 may be provided in the N-type region above the buffer region 20.
- the second donor concentration peak 121 may be provided between the buffer region 20 and the storage region 16.
- the second donor concentration peak 121 of this example is provided in the drift region 18.
- the second donor concentration peak 121 may be disposed below the lower end of the gate trench portion 40, may be disposed in contact with the lower end of the gate trench portion 40, and may be disposed above the lower end of the gate trench portion 40. It may be arranged.
- a base doping region 180 which is a region of the substrate base doping concentration Db may be provided between the second donor concentration peak 121 and the accumulation region 16.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of the carrier concentration distribution in the depth direction at the position of line BB in FIG. In FIG. 7, a part of the hydrogen concentration distribution and the helium concentration distribution are shown together.
- the vertical axis of FIG. 7 is a logarithmic axis.
- the carrier concentration distribution in the buffer region 20 of this example has a plurality of peaks 24 provided at different positions in the depth direction.
- Peak 24 is the peak of donor concentration.
- Peak 24 may have hydrogen as an impurity. Providing the plurality of peaks 24 can further prevent the depletion layer from reaching the collector region 22.
- the first donor concentration peak 111 may function as the peak 24 in the buffer region 20.
- the first donor concentration peak 111 may function as a peak farthest from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 among the plurality of peaks 24 of the buffer region 20.
- the flat region 150 is arranged between the first donor concentration peak 111 and the second donor concentration peak 121 included in the buffer region 20.
- the first donor concentration peak 111 may have a higher donor concentration than the peak 24 separated from the lower surface 23 next to the first donor concentration peak 111 among the plurality of peaks 24 of the buffer region 20. By increasing the concentration of the first donor concentration peak 111, the flat region 150 can be easily formed even if the distance between the first donor concentration peak 111 and the second donor concentration peak 121 is large.
- the hydrogen concentration distribution may have one or more hydrogen concentration peaks 194 between the first depth Z1 and the lower surface 23.
- the hydrogen concentration peak 194 may be arranged in the buffer region 20 described with reference to FIG.
- the hydrogen concentration peak 194 may be arranged at the same depth position as the peak 24.
- the storage area 16 in this example has a plurality of peaks 25.
- Peak 25 is the peak of donor concentration.
- the second donor concentration peak 121 is arranged on the lower surface 23 side with respect to the accumulation region 16.
- a region (base doping region 180) having the base doping concentration Db of the substrate may be provided between the second donor concentration peak 121 and the accumulation region 16.
- the donor concentration between the second donor concentration peak 121 and the storage region 16 may be higher than the base doping concentration Db of the semiconductor substrate.
- the base doping concentration Dn of the semiconductor substrate 10 is lower than the base doping concentration Db.
- the region where the doping concentration is the base doping concentration Dn is the non-doping region 181.
- the base doping concentration Dn of the non-doping region 181 is, for example, 1 ⁇ 10 10 atoms/cm 3 or more and 5 ⁇ 10 12 atoms/cm 3 or less.
- the base doping concentration Dn may be 1 ⁇ 10 11 atoms/cm 3 or more.
- the base doping concentration Dn may be 5 ⁇ 10 12 atoms/cm 3 or less.
- each concentration in the present specification may be a value at room temperature.
- the room temperature for example, a value at 300 K (Kelvin) (about 26.9° C.) may be used.
- FIG. 8 is a diagram showing another structural example of the semiconductor device 100.
- the semiconductor device 100 of this example is different from the semiconductor device 100 described in FIGS. 6 and 7 in that the second donor concentration peak 121 (and the helium concentration peak 141) is arranged in the accumulation region 16. ..
- the other structure may be the same as that of the semiconductor device 100 described in FIGS. 6 and 7.
- FIG. 9 is a diagram showing an example of the carrier concentration distribution in the depth direction at the position of the line CC of FIG. In FIG. 9, a part of the hydrogen concentration distribution and the helium concentration distribution are shown together.
- the vertical axis of FIG. 9 is a logarithmic axis.
- the carrier concentration distribution in the storage region 16 of this example has a plurality of peaks provided at different positions in the depth direction.
- the peak is a peak of donor concentration.
- the peak in the accumulation region 16 may have hydrogen or phosphorus as an impurity.
- the second donor concentration peak 121 of this example functions as one of the donor concentration peaks in the accumulation region 16.
- the second donor concentration peak 121 may function as a peak farthest from the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 among the plurality of peaks of the accumulation region 16.
- the flat region 150 of this example is arranged between the first donor concentration peak 111 included in the buffer region 20 and the second donor concentration peak 121 included in the accumulation region 16.
- the donor concentration of the second donor concentration peak 121 may be lower than, the same as, or higher than the donor concentration of the other peak 25 of the buffer region 20.
- the peak 25 other than the second donor concentration peak 121 may have the same donor concentration.
- the donor concentration of the second donor concentration peak 121 may be set according to the donor concentration that the flat region 150 should have.
- the carrier concentration of the drift region 18 of this example may be higher than the base doping concentration Db of the substrate over the entire depth direction. With such a structure, the entire carrier concentration of the drift region 18 can be adjusted accurately.
- the peak 25 other than the second donor concentration peak 121 may be a peak due to a donor other than hydrogen.
- peak 25 is a peak in which phosphorus functions as a donor.
- the width of the second donor concentration peak 121 in the depth direction may be wider than the width of the peak 25 in the depth direction. Thereby, the displacement current to the gate trench portion can be further suppressed.
- a valley of the donor concentration distribution may be present between the second donor concentration peak 121 and the peak 25 of the accumulation region 16 as shown in FIG.
- the donor concentration distribution in the accumulation region 16 may be a kink instead of a valley.
- FIG. 10 shows the hydrogen concentration distribution, the helium concentration distribution, and the carrier concentration distribution in the depth direction at the position shown by the line AA in FIG.
- the carrier concentration was measured by SR method. More defects are more likely to occur in the vicinity of the range (Z2) of the helium concentration peak 141 than in the passage region 106. The defect remaining without being bonded to hydrogen may cause a valley 151 in the carrier concentration distribution in the vicinity of the second depth Z2.
- the slope of the upward slope 122 of the second donor concentration peak 121 may be steep in calculation. Therefore, it is preferable to calculate the slope of the uphill slope 122 by excluding the influence of the valley 151.
- the slopes of the upward slopes of the second donor concentration peak 121 and the helium concentration peak 141 may be calculated using the concentrations at the second depth Z2 and the concentrations at the depth Zc.
- the depth Zc may be a position closer to the lower surface 23 than the valley 151.
- the depth Zc is the central depth of the flat region 150 in the depth direction.
- the standardization may use the gradient of the density difference or the gradient of the density ratio.
- FIG. 11 is a diagram showing an arrangement example of each element on the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- the outer peripheral edge of the semiconductor substrate 10 is defined as the outer peripheral edge 140.
- the semiconductor device 100 includes an active section 120 and an edge termination structure section 90.
- the active portion 120 is a region in which a main current flows between the upper surface 21 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 when the semiconductor device 100 is controlled to be in the ON state. That is, it is a region in the semiconductor substrate 10 where current flows in the depth direction from the upper surface 21 to the lower surface 23 or from the lower surface 23 to the upper surface 21.
- the active section 120 of this example is provided with a transistor section 70 and a diode section 80.
- the transistor unit 70 and the diode unit 80 may be arranged side by side in the X-axis direction. In the example of FIG. 11, the transistor section 70 and the diode section 80 are arranged alternately in contact with each other in the X-axis direction.
- the transistor section 70 may be provided at both ends of the active section 120 in the X-axis direction.
- the emitter electrode 52 may cover the transistor section 70 and the diode section 80.
- the active part 120 may refer to a region covered with the emitter electrode 52.
- the transistor unit 70 of this example has the IGBT (gate insulation type bipolar transistor) described in FIGS. 6 to 10.
- the diode unit 80 of this example has an FWD (free wheeling diode).
- an N+ type cathode region 82 is provided in a region in contact with the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the diode portion 80 shown by the solid line is a region where the cathode region 82 is provided on the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the collector region 22 is provided in a region other than the cathode region 82 in the region in contact with the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the diode part 80 is a region obtained by projecting the cathode region 82 in the Z-axis direction.
- the transistor part 70 is a region in which the collector region 22 is provided on the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 and the unit structure including the emitter region 12 is periodically provided on the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- the boundary between the diode portion 80 and the transistor portion 70 in the Y-axis direction is the boundary between the cathode region 82 and the collector region 22.
- a portion of the projected region of the cathode region 82 extending to the end of the active portion 120 or the gate runner 48 in the Y-axis direction (the portion shown by the broken line of the extended diode portion 80 in FIG. 11) is also included in the diode portion 80. May be included.
- the extension region is not provided with the emitter region 12.
- the semiconductor device 100 of this example further includes a gate metal layer 50 and a gate runner 48. Further, the semiconductor device 100 may have each pad such as the gate pad 116 and the emitter pad 118.
- the gate pad 116 is electrically connected to the gate metal layer 50 and the gate runner 48.
- the emitter pad 118 is electrically connected to the emitter electrode 52.
- the gate metal layer 50 may be provided so as to surround the active portion 120 in a top view.
- the gate pad 116 and the emitter pad 118 may be located in the region surrounded by the gate metal layer 50.
- the gate metal layer 50 may be formed of a metal material such as aluminum or an aluminum silicon alloy.
- the gate metal layer 50 is insulated from the semiconductor substrate 10 by the interlayer insulating film 38. In FIG. 11, the interlayer insulating film 38 is omitted.
- the gate metal layer 50 is provided separately from the emitter electrode 52.
- the gate metal layer 50 transfers the gate voltage applied to the gate pad 116 to the transistor unit 70.
- the gate conductive portion 44 of the transistor portion 70 is directly connected to the gate metal layer 50 or indirectly connected via another conductive member.
- the gate runner 48 connects the gate metal layer 50 and the gate conductive portion 44.
- the gate runner 48 may be formed of a semiconductor material such as polysilicon doped with impurities.
- a part of the gate runner 48 may be provided above the active portion 120.
- the gate runner 48 shown in FIG. 11 is provided across the active portion 120 in the X-axis direction. As a result, it is possible to suppress the decrease and delay of the gate voltage even inside the active portion 120, which is separated from the gate metal layer 50.
- a part of the gate runner 48 may be disposed along the gate metal layer 50 so as to surround the active portion 120.
- the gate runner 48 may be connected to the gate conductive portion 44 at the end of the active portion 120.
- the edge termination structure portion 90 is provided on the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 between the active portion 120 and the outer peripheral end 140 of the semiconductor substrate 10.
- the gate metal layer 50 is arranged between the edge termination structure portion 90 and the active portion 120.
- the edge termination structure portion 90 may be annularly arranged on the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 so as to surround the active portion 120.
- the edge termination structure 90 of this example is arranged along the outer peripheral edge 140 of the semiconductor substrate 10.
- the edge termination structure portion 90 relaxes electric field concentration on the upper surface 21 side of the semiconductor substrate 10.
- the edge termination structure 90 has, for example, a guard ring, a field plate, a RESURF, and a structure combining these.
- FIG. 12 is a diagram showing an example of a cc′ cross section in FIG. 11.
- FIG. 12 shows an arrangement example of the passage area 106 described in FIGS. 1 to 10 in the cross section.
- the passage area 106 is hatched. Note that FIG. 12 shows only the passage region 106 in the drift region 18, and omits the passage regions 106 in the buffer region 20, the collector region 22, and the cathode region 82.
- the cross section shown in FIG. 12 is an XZ plane including the edge termination structure portion 90, the transistor portion 70, and the diode portion 80. Although the gate metal layer 50 and the gate runner 48 are disposed between the edge termination structure portion 90 and the transistor portion 70, they are omitted in FIG.
- the structure of the transistor unit 70 is similar to that of the IGBT described in FIGS. 6 to 10.
- the diode portion 80 includes the base region 14, the drift region 18, the cathode region 82, and the dummy trench portion 30 inside the semiconductor substrate 10.
- the base region 14 and the drift region 18 are the same as the base region 14 and the drift region 18 in the transistor section 70.
- the base region 14 may be provided in a region of the diode portion 80 that is in contact with the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10, and the contact region 15 may be provided.
- the contact region 15 is a P+ type region having a higher doping concentration than the base region 14.
- the diode region 80 of this example is not provided with the emitter region 12. Further, the diode portion 80 may or may not be provided with the storage region 16.
- the dummy trench section 30 has the same structure as the gate trench section 40. However, the dummy trench portion 30 is electrically connected to the emitter electrode 52. The dummy trench portion 30 is provided from the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 to the drift region 18 through the base region 14. The dummy trench section 30 may also be provided in the transistor section 70. The dummy trench portion 30 and the gate trench portion 40 may be arranged in the transistor portion 70 at a predetermined cycle.
- the intermediate boundary region 190 is a region in which neither the operation of the transistor unit 70 nor the operation of the diode unit 80 is directly performed.
- the region in contact with the upper surface 21 of the intermediate boundary region 190 may have the same structure as the upper surface 21 side of the diode unit 80.
- the collector region of the transistor unit 70 may be provided so as to extend in a region in contact with the lower surface 23 of the intermediate boundary region 190 in a top view.
- only the range example of the intermediate boundary region 190 is indicated by an arrow.
- the range illustrated as the intermediate boundary region 190 has the same structure as the transistor unit 70.
- the lifetime control region 192 may be provided on the upper surface 21 side with respect to the center in the depth direction.
- the lifetime control region 192 is a region in which the recombination center of carriers (electrons or holes) is provided at a higher concentration than the periphery.
- the recombination center may be a vacancy-based defect such as a vacancy or a double vacancy, a dislocation, an interstitial atom, or a transition metal.
- the lifetime control region 192 may extend from the diode portion 80 to the intermediate boundary region 190.
- the edge termination structure 90 is provided with a plurality of guard rings 92, a plurality of field plates 94 and a channel stopper 174.
- the collector region 22 may be provided in a region in contact with the lower surface 23.
- Each guard ring 92 may be provided on the upper surface 21 so as to surround the active portion 120.
- the plurality of guard rings 92 may have a function of spreading the depletion layer generated in the active portion 120 to the outside of the semiconductor substrate 10. Thereby, the electric field concentration inside the semiconductor substrate 10 can be prevented, and the breakdown voltage of the semiconductor device 100 can be improved.
- the guard ring 92 of this example is a P+ type semiconductor region formed by ion implantation near the upper surface 21.
- the bottom of the guard ring 92 may be deeper than the bottoms of the gate trench portion 40 and the dummy trench portion 30.
- the upper surface of the guard ring 92 is covered with the interlayer insulating film 38.
- the field plate 94 is formed of a conductive material such as metal or polysilicon.
- the field plate 94 may be formed of the same material as the gate metal layer 50 or the emitter electrode 52.
- the field plate 94 is provided on the interlayer insulating film 38.
- the field plate 94 is connected to the guard ring 92 through a through hole provided in the interlayer insulating film 38.
- a protective film 182 is provided on the upper surface 21 side of the semiconductor substrate 10.
- the protective film 182 may cover the edge termination structure portion 90, the gate metal layer 50, the boundary portion 72, and a part of a portion in contact with the boundary portion 72 among the active portions.
- the protective film 182 may be an insulating film or an organic thin film.
- the protective film 182 of this example is polyimide.
- the plating layer 184 may be provided on the entire surface of the exposed portion of the emitter electrode 52 where the protective film 182 is not formed. The surface of the plating layer 184 may be located closer to the upper surface 21 side than the surface of the protective film 182.
- the plating layer 184 is connected to the electrode terminals of the power module on which the semiconductor device 100 is mounted.
- the channel stopper 174 is provided so as to be exposed on the upper surface 21 and the side surface at the outer peripheral end 140.
- the channel stopper 174 is an N-type region having a higher doping concentration than the drift region 18.
- the channel stopper 174 has a function of terminating the depletion layer generated in the active portion 120 at the outer peripheral edge 140 of the semiconductor substrate 10.
- a boundary portion 72 may be provided between the transistor portion 70 and the edge termination structure portion 90.
- the boundary portion 72 may have the contact region 15, the base region 14, and the dummy trench portion 30 on the upper surface 21 side of the semiconductor substrate 10.
- the boundary portion 72 may include the P+ type well region 11 having a higher doping concentration than the base region 14.
- the well region 11 is provided in contact with the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- a gate metal layer 50 and a gate runner 48 may be provided above the well region 11.
- the bottom of the well region 11 may have the same depth as the bottom of the guard ring 92.
- a part of the trench portion in the boundary portion 72 may be formed in the well region 11.
- the collector region 22 may be provided in a region of the boundary portion 72 in contact with the lower surface 23.
- the helium concentration peak 141 is arranged between the bottom portion of the gate trench portion 40 in the Z-axis direction and the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- the helium concentration peak 141 is arranged at a position deeper than the accumulation region 16, but the helium concentration peak 141 may be arranged at the same depth as the accumulation region 16, and the helium concentration peak 141 and the base region 14 may be arranged. It may be arranged at the same depth, or may be arranged at the same depth as the emitter region 12.
- the storage region 16 may also be formed in the diode portion 80 as shown by the dotted line in FIG.
- the passage region 106 is formed in the range from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the helium concentration peak 141. In each figure, the helium concentration peak 141 and the passage region 106 do not overlap each other, but the passage region 106 is formed up to the depth of the helium concentration peak 141.
- the passage region 106 of this example is provided in each of the transistor section 70, the diode section 80, the boundary section 72, and the edge termination structure section 90.
- the depth of the passage region 106 may be the same.
- the passage region 106 may be provided in the entire top view of the semiconductor substrate 10. According to this example, the donor concentration can be adjusted over almost the entire depth of the semiconductor substrate 10. Further, the donor concentration can be adjusted over almost the entire top surface of the semiconductor substrate 10.
- a region where the passage region 106 is not formed is provided particularly in a portion in contact with the upper surface 21 of the edge termination structure portion 90.
- the region where the passage region 106 is not formed is a portion where the donor concentration becomes the same as the base doping concentration Db.
- a region where the passage region 106 is not formed is on the upper surface 21 side with respect to the depth of the helium concentration peak 141. That is, the region where the passage region 106 is not formed may be a region where the doping concentration is almost the base doping concentration Db.
- the region where the doping concentration is the base doping concentration Db is referred to as the base doping region 180.
- the base doping region 180 is provided in contact with the upper surface 21 and in a portion shallower than the well region 11.
- FIG. 13 is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the passage area 106 of this example is different from the passage area 106 in FIG. 12 in width in the depth direction.
- the arrangement in a top view is the same as the passage area 106 in FIG.
- the helium concentration peak 141 of this example is arranged between the bottom of the gate trench 40 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the thickness of the semiconductor substrate 10 in the depth direction is T1
- the distance between the helium concentration peak 141 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 is T2.
- the distance T2 corresponds to the thickness of the passage area 106 in the depth direction.
- the distance T2 may be 40% or more and 60% or less of the thickness T1. That is, the passage region 106 may be provided from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to almost the center in the depth direction of the semiconductor substrate 10. However, the distance T2 can be changed as appropriate.
- the base doping region 180 is provided on the upper surface 21 side of the helium concentration peak 141.
- the base doping region 180 of this example is a region from the bottom surface of the trench portion to the helium concentration peak 141, and has a depth of about T1-T2.
- the base doping region 180 of this example is provided on the entire surface of the semiconductor substrate 10.
- FIG. 14 is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the passage area 106 of the present example is different from the passage area 106 in FIG. 12 in the arrangement in top view.
- the arrangement in the depth direction may be the same as the passage area 106 in FIG.
- the passage region 106 and the helium concentration peak 141 are not provided in at least a partial region of the edge termination structure portion 90 in a top view.
- FIG. 14 shows an example in which the passage region 106 and the helium concentration peak 141 are not provided in the entire edge termination structure portion 90 in a top view.
- the passage region 106 and the helium concentration peak 141 may be provided at the end portion of the edge termination structure portion 90 near the active portion 120. That is, the passage region 106 and the helium concentration peak 141 are not provided in the region in contact with the outer peripheral edge 140 of the semiconductor substrate 10.
- the helium concentration peak 141 is not provided near the outer peripheral edge 140, it is possible to suppress the formation of defects near the outer peripheral edge 140. Therefore, it is possible to suppress an increase in leakage at the outer peripheral edge 140.
- the base doping region 180 of this example is provided in a region in contact with the outer peripheral edge 140 of the semiconductor substrate 10.
- the base doping region 180 of this example is provided in at least a part of the region of the edge termination structure 90 in a top view. Further, the base doping region 180 may be provided on the entire edge termination structure 90 and the boundary 72 in a top view.
- the arrangement of the passage region 106 of the boundary portion 72 may be the same as that of the edge termination structure portion 90, that of the transistor portion 70, or that of the diode portion 80.
- FIG. 14 shows an example in which the passage area 106 is not provided in the boundary portion 72.
- FIG. 15 is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the passage area 106 of the present example has the same arrangement in the depth direction as the passage area 106 shown in FIG. 13, and the arrangement in top view is the same as the passage area 106 shown in FIG. 14. That is, the passage region 106 is not provided in the edge termination structure portion 90. Further, the transistor portion 70 and the diode portion 80 are provided with a passage region 106 from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the vicinity of the center in the depth direction of the semiconductor substrate 10.
- the base doping region 180 of this example is formed from the upper surface 21 to the buffer region 20 at the boundary 72 and the edge termination structure 90. Further, in the active portion, the base doping region 180 is formed in the drift region 18 on the upper surface 21 side of the helium concentration peak 141. On the upper surface 21 side of the helium concentration peak 141, the base doping region 180 of this example is provided on the entire surface of the semiconductor substrate 10 in a top view.
- FIG. 16A is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106. This example is different from the examples in FIGS. 12 to 15 in that the passing region 106 and the helium concentration peak 141 are not provided in at least a part of the diode portion 80 in a top view.
- the other structure is the same as the example described in FIGS.
- FIG. 16A shows an example in which the passing region 106 and the helium concentration peak 141 are not provided in the entire diode portion 80 in a top view. That is, the base doping region 180 is provided on the entire diode portion 80 in a top view. Further, the base doping region 180 is also provided on the entire boundary portion 72 and the edge termination structure portion 90. In another example, the passage region 106 and the helium concentration peak 141 may be provided at the end portion of the diode portion 80 that is in contact with the transistor portion 70. By making the arrangement of the passage region 106 different between the transistor section 70 and the diode section 80, the distributions of the doping concentrations of the diode section 80 and the transistor section 70 can be made different as appropriate.
- FIG. 16B is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- 16B shows a configuration in which the pass-through region 106 and the base doping region 180 are formed in the active portion in the opposite manner to FIG. 16A.
- the passage region 106 in the diode portion 80, the expansion of the space charge region at the time of reverse recovery is suppressed and the waveform vibration at the time of reverse recovery is suppressed.
- the transistor part 70 as the base doping region 180, for example, when a short circuit occurs, expansion of the space charge region is promoted, injection of holes is promoted, and short circuit breakdown is suppressed.
- FIG. 17A is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the passage area 106 in this example has the same arrangement in the depth direction as the passage area 106 shown in FIG. 13, and the arrangement in a top view is the same as the passage area 106 shown in FIG. 16A. That is, the diode region 80 is not provided with the passage region 106.
- a passage region 106 is provided from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the vicinity of the center of the semiconductor substrate 10 in the depth direction. Further, in the example of FIG.
- the helium concentration peak 141 is made to recede from the bottom surface of the trench portion to the lower surface 23 side, and the base doping region 180 is formed on the entire upper surface side on the upper surface 21 side with respect to the helium concentration peak 141.
- FIG. 17B is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the example of FIG. 17B has a configuration in which the passage region 106 and the base doping region 180 are formed in the active portion in the opposite manner to that of FIG. 17A. Also in the example of FIG. 17B, the same effect as that of FIG. 16B is obtained.
- helium ions are selectively implanted in a top view in a second implantation step S1902 described later.
- selective helium ion implantation can be performed using the photoresist film 200 shown in FIGS. 14 to 17B.
- a photoresist film 200 having a predetermined thickness is selectively formed on a part of the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the thickness of the photoresist film 200 is a thickness that can shield helium ions.
- a second implantation step S1902 is performed.
- Helium ions are shielded by the photoresist film 200 in the region where the photoresist film 200 is formed. Therefore, helium ions do not enter the region of the semiconductor substrate 10 covered with the photoresist film 200.
- Helium ions are implanted into the second depth position Z2 in the region where the photoresist film 200 is not formed, depending on the acceleration energy.
- the photoresist film 200 is formed in contact with the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the collector electrode 54 is not provided on the lower surface 23.
- FIG. 17C is a diagram for explaining the minimum film thickness M of the photoresist film 200 for preventing helium ions from entering the semiconductor substrate 10.
- FIG. 17C shows the film thickness M with respect to the range Rp of helium ions.
- the helium ions of this example may be injected from the accelerator into the semiconductor substrate 10 without passing through an absorber other than the photoresist film 200.
- the range Rp of helium ions is uniquely determined by the acceleration energy in the accelerator.
- the minimum film thickness M of the photoresist film 200 that can shield helium ions is determined by the acceleration energy of helium ions. Therefore, the minimum thickness M of the photoresist film 200 can be represented by the range Rp of helium ions.
- FIG. 17C is a diagram in which the relationship between the range Rp of helium ions and the film thickness M is measured at three points and is approximated by a straight line.
- the thickness of the photoresist film 200 is preferably equal to or larger than the minimum film thickness M shown by the above equation.
- helium ions may be injected into the semiconductor substrate 10 from the accelerator via an absorber other than the photoresist film 200.
- the range Rp of helium ions is determined by the acceleration energy in the accelerator and the thickness of the absorber along the implantation direction of helium ions.
- FIG. 18A is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the width T5 in the depth direction of the passage region 106 provided in the edge termination structure portion 90 is the width T4 in the depth direction of the passage region 106 provided in the active portion 120 (the diode portion 80 in this example). Shorter than.
- the helium concentration peak 141 may be arranged between the bottom of the dummy trench section 30 and the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10. In the edge termination structure portion 90, the helium concentration peak 141 may be arranged between the guard ring 92 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the width T5 of the passage region 106 in the edge termination structure 90 may be larger than half the thickness T of the semiconductor substrate 10.
- the width T3 of the passage region 106 provided in the transistor portion 70 in the depth direction may be shorter than the width T4 of the passage region 106 provided in the diode portion 80 in the depth direction. That is, in the transistor part 70, the base doping region 180 is formed deeper than the depth of the trench part. That is, the helium concentration peak 141 of the transistor part 70 is located closer to the lower surface 23 side than the bottom surface of the trench part. In the transistor part 70, the helium concentration peak 141 may be arranged between the bottom part of the gate trench part 40 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the width T3 may be the same as the width T5, may be larger than the width T5, or may be smaller than the width T5.
- the width T3 of the passage region 106 in the transistor portion 70 may be larger than half the thickness T of the semiconductor substrate 10.
- the pass region 106 at the boundary portion 72 may have the same structure as the pass region 106 in the edge termination structure portion 90, may have the same structure as the pass region 106 in the transistor portion 70, and may have the pass portion in the diode portion 80. It may have the same structure as the region 106. Further, in the example of FIG. 18A, the passage region 106 may not be provided in the transistor unit 70. The passing region 106 may not be provided in the diode portion 80. The passage region 106 may not be provided in the edge termination structure portion 90. The passage area 106 may not be provided in the boundary portion 72.
- FIG. 18B is a diagram showing another arrangement example of the passage area 106.
- the width T5 in the depth direction of the passage region 106 provided in the edge termination structure portion 90 is the width T3 in the depth direction of the passage region 106 provided in the active portion 120 (transistor portion 70 in this example). Shorter than.
- the helium concentration peak 141 may be arranged between the bottom of the gate trench section 40 and the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10.
- the structures of the passage region 106 and the helium concentration peak 141 in the edge termination structure portion 90 are similar to those in the example of FIG. 18A.
- the width T4 in the depth direction of the passage region 106 provided in the diode portion 80 may be shorter than the width T3 in the depth direction of the passage region 106 provided in the transistor portion 70. That is, in the diode portion 80, the base doping region 180 is formed deeper than the trench portion depth. That is, the helium concentration peak 141 of the diode portion 80 is located closer to the lower surface 23 side than the bottom surface of the trench portion. In the diode section 80, the helium concentration peak 141 may be arranged between the bottom of the dummy trench section 30 and the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the width T4 may be the same as the width T5, larger than the width T5, or smaller than the width T5.
- the width T4 of the passage region 106 in the diode portion 80 may be larger than half the thickness T of the semiconductor substrate 10.
- the pass region 106 at the boundary portion 72 may have the same structure as the pass region 106 in the edge termination structure portion 90, may have the same structure as the pass region 106 in the transistor portion 70, and may have the pass portion in the diode portion 80. It may have the same structure as the region 106. Further, in the example of FIG. 18B, the passage region 106 may not be provided in the transistor unit 70. The passing region 106 may not be provided in the diode portion 80. The passage region 106 may not be provided in the edge termination structure portion 90. The passage area 106 may not be provided in the boundary portion 72.
- the donor concentration distribution in the transistor section 70, the diode section 80, and the edge termination structure section 90 can be easily adjusted by adjusting the structure of the passage region 106.
- the structure of the passage area 106 is not limited to the examples shown in FIGS. 12 to 18B.
- FIG. 19 is a diagram showing a step of forming the passage region 106 in the method of manufacturing the semiconductor device 100.
- hydrogen ions are implanted from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the first depth Z1 in the first implantation step S1900.
- the passage region 106 is formed by implanting helium ions from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the second depth Z2. Either the first injection step S1900 or the second injection step S1902 may be performed first.
- the donor concentration in the passage region 106 may not be increased. That is, if the heat treatment is performed before forming the passage region 106, the hydrogen implanted in the first implantation step S1900 may not be combined with the crystal defects in the passage region 106 and may escape to the outside of the semiconductor substrate 10. Therefore, it is preferable that the heat treatment is not performed between the first implantation step S1900 and the second implantation step S1902.
- the heat treatment is, for example, a treatment of heating the semiconductor substrate 10 at 300° C. or higher.
- a diffusion step S1904 is performed after the first injection step S1900 and the second injection step S1902.
- the semiconductor substrate 10 is heat-treated to diffuse the hydrogen implanted into the first depth Z1 into the passage region 106.
- the semiconductor substrate 10 may be heated to 300° C. or higher. The heating temperature may be 350° C. or higher.
- the semiconductor substrate 10 may be heated for 1 hour or longer, or may be heated for 3 hours or longer.
- the crystal defects in the passage region 106 and hydrogen are combined to form a donor.
- the donor concentration in the passage region 106 can be increased.
- the minimum donor concentration of the passage region 106 is preferably higher than the donor concentration (base doping concentration) of the semiconductor substrate 10 before the first implantation step S1900 and the second implantation step S1902. That is, it is preferable that the donor concentration be higher than the base doping concentration in the entire passage region 106.
- the hydrogen injected at the first depth position Z1 diffuses to the vicinity of the second depth position Z2.
- the dose amount of hydrogen is preferably determined so that the minimum value of the donor concentration in the passage region 106 is higher than the base doping concentration.
- hydrogen ions may be implanted near the helium ion stop region (range Rp).
- the hydrogen ion implantation in the first implantation step may be performed before or after the helium ion implantation in the second implantation step S1902.
- Ion implantation damage (disorder) is also localized near the helium ion stop region. There are many dangling bonds in disorder.
- hydrogen ions are also implanted in the vicinity of the helium ion stop region, whereby hydrogen terminates disordered dangling bonds, and disorder can be reduced.
- hydrogen ion implantation may be performed multiple times in addition to the hydrogen ion implantation in the first implantation step S1900.
- the plurality of hydrogen ion implantations for forming the peak 24 may be performed in the first implantation step S1900. That is, the first injection step S1900 may be performed multiple times.
- FIGS. 20 to 26 are diagrams for explaining a method of determining the dose amount of hydrogen ions to be implanted at the first depth Z1 (referred to as a first dose amount).
- a first dose amount it is determined from the diffusion coefficient of hydrogen in the semiconductor substrate 10 and the position of the second depth Z2 (that is, the distance at which the hydrogen implanted at the first depth position Z1 should diffuse). Hydrogen is implanted at a dose amount equal to or higher than the minimum dose amount.
- FIG. 20 is a diagram showing an example of carrier concentration distribution in the semiconductor substrate 10 after the diffusion step S1904.
- the carrier concentration distribution of FIG. 20 can be acquired by, for example, spread resistance measurement (Spread Resistance Profiling).
- the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 is set as a reference position (0 ⁇ m) of depth ( ⁇ m).
- the first depth Z1 is 10 ⁇ m or less.
- the first depth Z1 may be treated as 0 ⁇ m.
- the first example 161, the second example 162, and the third example 163 are examples in which hydrogen ions are implanted into the first depth Z1 and helium ions are implanted into the second depth Z2.
- the fourth example 164 and the fifth example 165 are examples in which helium ions are implanted into the second depth Z2 and hydrogen is not implanted into the first depth Z1.
- the dose amount of helium ions to the second depth Z2 (referred to as the second dose amount) was set to 1 ⁇ 10 13 /cm 2 .
- the range of helium ions to the second depth Z2 was 100 ⁇ m
- the acceleration energy was 4.0 Mev.
- the range of helium ions may be adjusted by acceleration energy, or may be adjusted by an aluminum absorber or the like.
- the acceleration energy of hydrogen ions to the first depth Z1 was 400 keV.
- the first dose amount was set to 1 ⁇ 10 15 /cm 2 .
- the first dose amount was 3 ⁇ 10 14 /cm 2 .
- the first dose amount was set to 1 ⁇ 10 14 /cm 2 .
- FIG. 20 is a carrier concentration distribution after annealing.
- crystal defects are formed in the passage region 106 (the range from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the second depth position Z2). Therefore, the carrier concentration in the passage region 106 is reduced.
- the first dose amount is Q
- the diffusion depth of hydrogen from the first depth Z1 is x(x1, x2, x3) (cm)
- the diffusion coefficient of hydrogen is D (cm 2 /s)
- the diffusion time is
- t is the base doping concentration of the semiconductor substrate 10 and C 0 (atoms/cm 3 )
- Expression (1) is a value calculated from the solution of the diffusion equation.
- the diffusion equation is solved under the boundary condition that the total amount of hydrogen is constant, the solution has a Gaussian distribution.
- x when the concentration C(x, t) matches the base doping concentration C 0 is the equation (1).
- the hydrogen diffusion coefficient D in the first example 161, the second example 162, and the third example 163 can be calculated numerically from the equation (1).
- the diffusion depth x in each example may be determined from the profile shape of FIG. For example, as the diffusion depth x, the distance from the first depth position Z1 to the first inflection point in the valley portion of the carrier concentration can be used. As the diffusion depth x, the distance from the first depth position Z1 to the position where the carrier concentration first falls below the base doping concentration may be used.
- the crystal defects formed when hydrogen ions are implanted to the second depth Z2 are various defects such as point defects and dislocations.
- the point defects vacancies and compound vacancies, in particular, are formed.
- the concentration of crystal defects has a peak at a position slightly closer to the ion implantation surface (the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10) from the second depth Z2.
- FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the hydrogen diffusion coefficient D and the first dose amount Q.
- the first example 161, the second example 162, and the third example 163 shown in FIG. 20 are plotted.
- the diffusion coefficient D increases.
- the hydrogen injected into the first depth Z1 diffuses toward the second depth Z2 while terminating the dangling bond in the passage region 106.
- the proportion of hydrogen diffusing in the region where the dangling bonds are terminated increases, and it is considered that hydrogen easily diffuses.
- the value of the diffusion coefficient D varies depending on experimental conditions and the like. An error of at least ⁇ 50% is acceptable with respect to the diffusion coefficient D shown in FIG. Errors within ⁇ 100% are also acceptable.
- FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the diffusion coefficient D and the annealing temperature T.
- FIG. 22 is a graph obtained by acquiring the diffusion coefficient described in FIGS. 20 and 21 for a plurality of annealing temperatures T and performing Arrhenius plotting.
- D 0 is a constant
- Ea is an activation energy
- FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the hydrogen diffusion depth and the first dose amount.
- the first example 161, the second example 162, and the third example 163 shown in FIG. 20 are plotted with black circles.
- the first dose amount with respect to each diffusion depth x can be determined. That is, the straight line indicates the minimum first dose amount for each diffusion depth x.
- the donor concentration of the entire passing region 106 can be made higher than the base doping concentration.
- the first dose amount Q (ions/cm 2 ) may satisfy the following equation when the second depth Z2 is the diffusion depth x ( ⁇ m). Q ⁇ 1.6491 ⁇ 10 13 ⁇ e 0.061619x
- the peak of the crystal defect concentration when helium ions are implanted to the second depth Z2 is provided at a position slightly shallower than the second depth Z2.
- the horizontal axis of FIG. 23 corresponds to the peak position of the crystal defect concentration. Therefore, when forming the passage region 106 having the length X0 corresponding to the horizontal axis of FIG. 23, the straggling ⁇ Rp in the ion implantation is taken into consideration, and the range Rp of the following formula is used to obtain the second depth Z2. Implant helium ions into.
- the passage region 106 can be formed in almost the entire depth direction.
- the minimum dose amount may be calculated based on the following equation (2) obtained by modifying the equation (1).
- the diffusion coefficient D is calculated by the method described in FIG. In FIG. 23, the minimum dose amount calculated from the equation (2) is plotted by a white circle. Since the diffusion coefficient D has a dimension of the square of the distance, the diffusion coefficient D may be expressed as a function of the hydrogen diffusion depth x.
- FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the diffusion coefficient D and the diffusion depth x.
- the first example 161, the second example 162, and the third example 163 in FIG. 20 are plotted.
- the diffusion coefficient D increases.
- the diffusion depth x increases, the distance from the first depth Z1 to the concentration peak of crystal defects increases. For this reason, the proportion of the region having relatively few crystal defects in the passage region 106 increases. Since the diffusion coefficient increases when the number of crystal defects is small, the average diffusion coefficient of the passage region 106 also increases when the diffusion depth x increases.
- the second dose amount is set to 1 ⁇ 10 13 /cm 2 .
- the minimum dose amount of the first dose amount can be determined by the same method.
- the donor concentration in the passage region 106 may be adjusted by adjusting the second dose amount.
- the concentration of crystal defects formed in the passage region 106 can be adjusted.
- the annealing temperature is set to 370° C., the minimum dose amount can be determined from the equation (2) even if the annealing temperature is changed.
- FIG. 25 is a diagram showing straight lines defining the minimum dose amount for each annealing temperature.
- the diffusion coefficient D is constant regardless of the diffusion depth.
- hydrogen ions may be implanted at the first depth Z1 with a dose amount larger than the minimum dose amount shown by the straight line in FIG.
- FIG. 26 is a diagram showing the relationship between the second dose amount and the minimum dose amount of the first dose amount. In this example, the relationship is shown for each diffusion depth x.
- hydrogen ions may be implanted to the first depth Z1 with a dose amount larger than the minimum dose amount shown by the straight line in FIG.
- FIG. 27 is a diagram illustrating an example of the first depth Z1. 27, the donor concentration distribution, the hydrogen chemical concentration distribution, and the helium chemical concentration distribution in the depth direction of the semiconductor substrate 10 are shown.
- the hydrogen chemical concentration distribution and the helium chemical concentration distribution schematically show only the vicinity of the peak.
- the distribution in the vicinity of the upper surface 21 of the semiconductor substrate 10 (a region where the distance from the lower surface 23 is 100 ⁇ m or more) is omitted.
- the carrier concentration distribution in the N-type region of the semiconductor substrate 10 may be used as the donor concentration distribution.
- the first depth Z1 of the hydrogen concentration peak 131 is included in the range of 5 ⁇ m or less in the depth direction from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the configuration other than the first depth Z1 is the same as any one of the modes described in FIGS. 1 to 26.
- the donor concentration distribution of the semiconductor device 100 of this example is similar to that of the example of FIG.
- the first depth Z1 may be included in the range of 4 ⁇ m or less from the lower surface 23, and may be included in the range of 3 ⁇ m or less.
- the dose amount of hydrogen injected into the first depth Z1 of hydrogen may be 1 ⁇ 10 15 atoms/cm 2 or more, 1 ⁇ 10 16 atoms/cm 2 or more, and 1 ⁇ . It may be 10 17 atoms/cm 2 or more, or 1 ⁇ 10 18 atoms/cm 2 or more.
- a first donor concentration peak 111 due to a hydrogen donor may be formed at the first depth Z1.
- the donor concentration of the first donor concentration peak 111 may be 1 ⁇ 10 15 /cm 3 or higher, or 1 ⁇ 10 16 /cm 3 or higher.
- the donor concentration of the first donor concentration peak 111 may be 1 ⁇ 10 17 /cm 3 or less.
- the implantation of hydrogen to the first depth Z1 may be performed by plasma doping.
- a gas for plasma excitation and a raw material gas containing hydrogen are supplied into a container for housing the semiconductor substrate 10.
- the excitation gas may include an inert element such as argon.
- phosphine (PH3) or the like may be used as the source gas.
- the helium may be injected to the second depth Z2 of the helium concentration peak 141 by a method other than plasma doping.
- Helium ions may be accelerated to an electric field or the like to inject helium to the second depth Z2.
- the second depth position Z2 may be separated from the lower surface 23 by 80 ⁇ m or more in the depth direction.
- the second depth position Z2 may be separated from the lower surface 23 by 90 ⁇ m or more, and may be separated by 100 ⁇ m or more.
- the distance between the first depth position and the second depth position in the depth direction may be 50% or more, 65% or more, and 80% or more of the thickness of the semiconductor substrate 10 in the depth direction. May be
- FIG. 28 shows another example of the donor concentration distribution, the hydrogen chemical concentration distribution, and the helium chemical concentration distribution in the depth direction of the semiconductor substrate 10.
- the hydrogen chemical concentration distribution and the helium chemical concentration distribution schematically show only the vicinity of the peak.
- the first depth Z1 of this example is the same as the example of FIG.
- the second depth Z2 may be arranged on the upper surface 21 side of the semiconductor substrate 10.
- the upper surface 21 side refers to a region from the center of the semiconductor substrate 10 in the depth direction to the upper surface 21.
- the hydrogen chemical concentration distribution may have one or more hydrogen concentration peaks 194 between the first depth Z1 and the second depth Z2. ..
- the hydrogen concentration peak 194 may be arranged in the buffer region 20 described with reference to FIG.
- the hydrogen concentration peak 131 may be arranged in the buffer region 20, or may be arranged between the buffer region 20 and the lower surface 23.
- FIG. 29 is a diagram showing an example of the hydrogen chemical concentration distribution and the argon chemical concentration distribution in the vicinity of the hydrogen concentration peak 131.
- the hydrogen concentration peak 131 is a peak corresponding to hydrogen injected by plasma doping
- the hydrogen concentration peak 194 is a peak corresponding to hydrogen injected by a method other than plasma doping.
- impurities other than hydrogen may be injected in the vicinity of the first depth position Z1.
- impurities other than hydrogen may be injected in the vicinity of the first depth position Z1.
- argon gas used for plasma excitation
- argon may be injected in the vicinity of the first depth position Z1.
- an argon concentration peak 196 is shown at the depth position Z0.
- the depth position Z0 may be arranged between the lower surface 23 and the first depth position Z1. Since argon is an element heavier than hydrogen, the argon concentration peak 196 is likely to be formed at a position shallower than the hydrogen concentration peak 131.
- no peak of the chemical concentration of argon is provided between the first depth position Z1 and the second depth position Z2. Since the hydrogen concentration peak 194 between the first depth position Z1 and the second depth position Z2 is formed by a method other than plasma doping, argon is injected in the vicinity of the hydrogen concentration peak 194. It has not been.
- the argon chemical concentration between the first depth position Z1 and the second depth position Z2 is smaller than the argon concentration peak 196.
- the maximum value of the argon chemical concentration between the first depth position Z1 and the second depth position Z2 is less than or equal to the minimum value of the argon chemical concentration between the lower surface 23 and the first depth position Z1. You can
- a phosphorus concentration peak may be provided between the lower surface 23 and the first depth position Z1.
- a fluorine concentration peak may be provided between the lower surface 23 and the first depth position Z1, and a boron concentration peak may be provided.
- the concentration value of the concentration peak of argon, phosphorus, fluorine, or boron may be smaller than the concentration value of the hydrogen concentration peak 131.
- the concentration value of the concentration peak of argon, phosphorus, fluorine, or boron may be half or less of the concentration value of the hydrogen concentration peak 131, or 1/10 or less.
- FIG. 30 is a diagram showing another structural example of the semiconductor device 100.
- the semiconductor device 100 of this example includes a transistor section 70 and a diode section 80, as in the example shown in FIG.
- the structure of the transistor unit 70 is the same as the example shown in FIG.
- the transistor section 70 and the diode section 80 are provided adjacent to each other in the X-axis direction.
- the diode part 80 of this example has a dummy trench part 30 in place of the gate trench part 40, a cathode region 82 in place of the collector region 22, and a emitter region 12 in addition to the structure of the transistor part 70. The difference is that it does not have.
- the other structure is similar to that of the transistor section 70.
- the dummy trench section 30 may have the same structure as the gate trench section 40.
- the dummy trench portion 30 has a dummy insulating film 32 and a dummy conductive portion 34.
- the dummy insulating film 32 and the dummy conductive portion 34 may have the same structure and material as the gate insulating film 42 and the gate conductive portion 44.
- the gate conductive portion 44 is electrically connected to the gate electrode, while the dummy conductive portion 34 is electrically connected to the emitter electrode 52.
- the dummy trench section 30 may also be provided in the transistor section 70. That is, part of the gate trench section 40 in the transistor section 70 may be replaced with the dummy trench section 30.
- the cathode region 82 is exposed on the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10.
- the cathode region 82 is connected to the collector electrode 54 on the lower surface 23.
- the cathode region 82 is an N+ type region doped with an N type impurity such as phosphorus.
- the buffer region 20 may be provided between the cathode region 82 and the drift region 18.
- the base region 14 may be exposed on the upper surface 21.
- the base region 14 of the diode portion 80 is electrically connected to the emitter electrode 52. With such a configuration, the diode section 80 functions as a diode.
- each concentration distribution in the transistor section 70 may be the same as any one of the modes described in FIGS. 1 to 29.
- the hydrogen chemical concentration distribution in the depth direction of the diode part 80 may be the same as the hydrogen chemical concentration distribution in the depth direction of the transistor part 70.
- the helium chemical concentration distribution in the depth direction of the diode portion 80 may be the same as the helium chemical concentration distribution in the depth direction of the transistor portion 70.
- FIG. 31 shows an example of the carrier concentration distribution, the hydrogen chemical concentration distribution, and the boron chemical concentration distribution on the DD line of FIG.
- the DD line passes through the collector region 22 and a part of the buffer region 20 in the transistor unit 70.
- the collector region 22 of this example is formed by implanting boron. Boron in the collector region 22 of this example is implanted in a process different from that for hydrogen in the hydrogen concentration peak 131. At least a part of boron in the collector region 22 may be implanted in plasma doping for implanting hydrogen in the hydrogen concentration peak 131.
- the hydrogen concentration peak 131 was arranged in the buffer region 20.
- the hydrogen concentration peak 131 in this example is arranged in the cathode region 82 and the collector region 22. Since the doping concentration of the cathode region 82 and the collector region 22 is very high, by providing the hydrogen concentration peak 131 in the cathode region 82 and the collector region 22, even if a high concentration hydrogen donor is generated by the hydrogen concentration peak 131, carrier It is possible to suppress variations in the shape of the concentration distribution. Therefore, it is easy to suppress the influence on the characteristics of the semiconductor device 100.
- the concentration of the hydrogen concentration peak 131 is set so that the hydrogen donor concentration is sufficiently smaller than the carrier concentration at the first depth position Z1.
- the activation rate of hydrogen is about 1%.
- 1% of the hydrogen chemical concentration may be lower than the boron chemical concentration.
- the peak position of the carrier concentration distribution in the collector region 22 is located closer to the boron chemical concentration peak than the hydrogen concentration peak 131.
- the peak of the boron chemical concentration is located on the lower surface 23.
- the peak position of the carrier concentration distribution in the collector region 22 may be the same as the peak position of the chemical concentration of boron.
- the hydrogen concentration peak 131 may be arranged between the peak of the carrier concentration distribution in the collector region 22 and the buffer region 20. In this example, the peak position of the carrier concentration distribution in the collector region 22 coincides with the lower surface 23. In the buffer region 20, the depth position of the hydrogen concentration peak 194 may coincide with the depth position of the peak 24 of the carrier concentration distribution.
- FIG. 32 shows an example of the carrier concentration distribution, the hydrogen chemical concentration distribution, and the phosphorus chemical concentration distribution on the line EE of FIG.
- the EE line passes through the cathode region 82 and a part of the buffer region 20 in the diode section 80.
- the cathode region 82 of this example is formed by implanting phosphorus. Phosphorus in the cathode region 82 is implanted in a process different from that for hydrogen in the hydrogen concentration peak 131. At least a portion of phosphorus in the cathode region 82 may be implanted in plasma doping for implanting hydrogen in the hydrogen concentration peak 131.
- the hydrogen concentration peak 131 in this example is arranged in the cathode region 82 and the collector region 22.
- the concentration of the hydrogen concentration peak 131 is set so that the hydrogen donor concentration is sufficiently smaller than the carrier concentration at the first depth Z1.
- the activation rate of hydrogen is about 1%.
- 1% of the hydrogen chemical concentration may be less than the phosphorus chemical concentration.
- the peak position of the carrier concentration distribution in the cathode region 82 is located closer to the phosphorus chemical concentration peak than the hydrogen concentration peak 131.
- the phosphorus chemical concentration peak is located on the lower surface 23.
- the peak position of the carrier concentration distribution in the cathode region 82 may be the same as the peak position of the phosphorus chemical concentration.
- the hydrogen concentration peak 131 may be arranged between the peak of the carrier concentration distribution in the cathode region 82 and the buffer region 20. In this example, the peak position of the carrier concentration distribution in the cathode region 82 coincides with the lower surface 23. In the buffer region 20, the depth position of the hydrogen concentration peak 194 may coincide with the depth position of the peak 24 of the carrier concentration distribution.
- FIG. 33 is a diagram showing a part of the method of manufacturing the semiconductor device 100. Before the step shown in FIG. 33, the structure of each trench portion, the emitter region 12, the base region 14, the storage region 16 and the like on the upper surface 21 side may be formed.
- helium ions are implanted from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the second depth Z2.
- the injection step S3300 may be the same as the second injection step S1902 in the example of FIG.
- hydrogen ions are implanted from the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 to the first depth Z1.
- hydrogen ions are implanted by plasma doping.
- the dose of hydrogen in the implantation step S3302 may be the same as the dose of hydrogen in the first implantation step S1900 of the example of FIG. Either the injection step S3300 or the injection step S3302 may be performed first.
- a diffusion step S3304 is performed after the injection step S3300 and the injection step S3302.
- the spreading step S3304 is similar to the spreading step S1904 in the example of FIG.
- the crystal defects in the passage region 106 and hydrogen are combined to form a donor.
- the donor concentration in the passage region 106 can be increased.
- a grinding step S3306 is performed after the diffusion step S3304.
- the lower surface 23 side of the semiconductor substrate 10 is ground by chemical mechanical polishing (CMP) or the like.
- CMP chemical mechanical polishing
- a range shallower than the first depth Z1 may be ground, or a range deeper than the first depth Z1 may be ground.
- the region where hydrogen is distributed at a high concentration can be ground, and the amount of hydrogen near the lower surface 23 can be reduced.
- the lower surface side structure forming step S3308 structures on the lower surface 23 side such as the collector region 22, the cathode region 82, and the buffer region 20 are formed.
- the vicinity of the lower surface 23 may be laser annealed. Thereby, the vicinity of the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 can be locally heat-treated at a high temperature.
- a dopant such as hydrogen may be injected into the buffer region 20 after laser annealing. After implanting the dopant in the buffer region 20, the entire semiconductor substrate 10 may be heat-treated in an annealing furnace.
- FIG. 34 is a diagram showing a part of the method of manufacturing the semiconductor device 100.
- the manufacturing method of this example is different in that a laser annealing step S3307 is provided instead of the grinding step S3306 of FIG.
- the other steps are the same as in the example of FIG.
- the lower surface 23 of the semiconductor substrate 10 is laser-annealed.
- a laser may be irradiated near the first depth Z1. Thereby, at least a part of hydrogen in the vicinity of the first depth Z1 can be released to the outside of the semiconductor substrate 10. Thereby, the hydrogen chemical concentration in the vicinity of the first depth Z1 can be reduced.
- the laser may be irradiated so that the hydrogen concentration peak 131 remains, or the laser may be irradiated so that the hydrogen concentration peak 131 does not remain.
- the semiconductor substrate 10 may have the impurity concentration peaks such as argon shown in FIG.
- the transistor section 70 may be irradiated with the laser and the diode section 80 may not be irradiated with the laser. Even if a high-concentration hydrogen donor remains on the lower surface 23 of the diode portion 80, the influence on the characteristics is relatively small. In this case, the chemical hydrogen concentration at the first depth Z1 of the diode portion 80 is higher than the chemical hydrogen concentration at the first depth Z1 of the transistor portion 70.
- the implantation of hydrogen ions to the first depth Z1, the implantation of helium ions to the second depth Z2, and the heat treatment are performed before forming the lower surface side structure. It may be performed after forming the lower surface side structure, or may be performed while forming the lower surface side structure.
- FIG. 35 shows an example of a step of implanting hydrogen ions to the first depth Z1 and implanting helium ions to the second depth Z2 in the lower surface side structure formation step.
- the implantation of hydrogen ions to the first depth Z1, the implantation of helium ions to the second depth Z2, and the heat treatment are performed in the buffer region formation step S3504 of forming the buffer region 20.
- the lower surface side structure forming step may be performed after the upper surface side structure forming step S3500 such as the trench portion.
- the lower surface side structure forming step includes a collector area forming step S3502 and a buffer area forming step S3504. In FIG. 35, the other steps of the lower surface side structure forming step are omitted.
- the buffer region forming step S3504 hydrogen ions are implanted into the first depth Z1 and helium ions are implanted into the second depth Z2.
- the semiconductor substrate 10 is heat-treated to diffuse hydrogen ions and helium ions.
- a collector electrode forming step S3506 may be performed after the lower surface side structure forming step.
- FIG. 36 shows another example of the step of implanting hydrogen ions to the first depth Z1 and implanting helium ions to the second depth Z2 in the lower surface side structure formation step.
- the implantation of hydrogen ions to the first depth Z1 and the heat treatment are performed in the cathode region forming step S3503.
- the implantation of helium ions to the second depth Z2 and the heat treatment are performed in the buffer region forming step S3506.
- the lower surface side structure forming step may be performed after the upper surface side structure forming step S3500 such as the trench portion.
- the lower surface side structure forming step of this example includes a cathode area forming step S3503 and a buffer area forming step S3504. In FIG. 36, the other steps of the lower surface side structure forming step are omitted.
- the semiconductor device 100 of this example may include a transistor section 70 and a diode section 80.
- the P-type collector region 22 may be formed in a part of the cathode region 82 by selectively implanting the P-type dopant after forming the cathode region 82 on the entire lower surface 23.
- a source gas such as PH3 containing an N-type dopant such as phosphorus may be used.
- hydrogen ions are implanted into the entire lower surface 23 to the first depth Z1.
- the cathode region 82 may be formed by selectively forming the collector region 22 on the lower surface 23 and then implanting an N-type dopant and hydrogen ions into the entire lower surface 23.
- the collector region 22 may be preliminarily implanted with a high concentration of P-type dopant so that the conductivity type is not inverted to N-type.
- the first depth Z1 is arranged in the collector region 22 and the cathode region 82.
- the step of forming the collector region 22 can be omitted. Further, hydrogen implantation to the second depth Z2 may be performed at the stage of forming the buffer region 20. A collector electrode forming step S3506 may be performed after the lower surface side structure forming step.
- Field plate 100... Semiconductor device, 106... Passage region, 111... First donor concentration peak, 112, 122, 132, 142, 172... Uphill slope, 113, 123, 133, 143, 173... Downhill slope, 114, 124, 125, 134, 144, 145... Inclination, 116... Gate pad, 118... -Emitter pad, 120... Active part, 121... Second donor concentration peak, 131... Hydrogen concentration peak, 140... Perimeter edge, 141... Helium concentration peak, 150... Flat Regions, 151... Valleys, 161... First example, 162... Second example, 163... Third example, 164... Fourth example, 165... Fifth , 171... Vacancy peak, 174...
- Channel stopper 175... Vacancy concentration distribution, 180... Base doping region, 181... Non-doping region, 182... Protection Film, 184... Plating layer, 190... Intermediate boundary area, 192... Lifetime control area, 194... Hydrogen concentration peak, 196... Argon concentration peak, 200... Photoresist film
Landscapes
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Abstract
結晶欠陥と水素が結合することで生じるドナー領域の範囲およびドナー濃度を精度よく制御する。 深さ方向において、水素濃度分布が水素濃度ピークを有し、ヘリウム濃度分布がヘリウム濃度ピークを有し、ドナー濃度分布が第1のドナー濃度ピークと第2のドナー濃度ピークを有し、水素濃度ピークと第1のドナー濃度ピークは第1の深さに配置されており、ヘリウム濃度ピークと第2のドナー濃度ピークは、下面を基準として第1の深さよりも深い第2の深さに配置されており、それぞれの濃度ピークは、下面から上面に向かうにつれて濃度値が増大する上りスロープを有し、第2のドナー濃度ピークの上りスロープの傾きを、ヘリウム濃度ピークの上りスロープの傾きで規格化した値が、第1のドナー濃度ピークの上りスロープの傾きを、水素濃度ピークの上りスロープの傾きで規格化した値よりも小さい半導体装置を提供する。
Description
本発明は、半導体装置および製造方法に関する。
従来、半導体基板に水素を注入して拡散させることで、拡散領域に存在していた結晶欠陥と水素が結合してドナー化することが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特表2016-204227号公報
特許文献1 特表2016-204227号公報
結晶欠陥と水素が結合することで生じるドナー領域の範囲およびドナー濃度は、精度よく制御できることが好ましい。
上記課題を解決するために、本発明の一つの態様においては、上面および下面を有する半導体基板を備える半導体装置を提供する。半導体基板の上面と下面とを結ぶ深さ方向において、水素濃度分布が水素濃度ピークを有してよい。ヘリウム濃度分布がヘリウム濃度ピークを有してよい。深さ方向において、ドナー濃度分布が第1のドナー濃度ピークと第2のドナー濃度ピークを有してよい。水素濃度ピークと第1のドナー濃度ピークは第1の深さに配置されてよい。ヘリウム濃度ピークと第2のドナー濃度ピークは、下面を基準として第1の深さよりも深い第2の深さに配置されてよい。それぞれの濃度ピークは、下面から上面に向かうにつれて濃度値が増大する上りスロープを有してよい。第2のドナー濃度ピークの上りスロープの傾きを、ヘリウム濃度ピークの上りスロープの傾きで規格化した値が、第1のドナー濃度ピークの上りスロープの傾きを、水素濃度ピークの上りスロープの傾きで規格化した値よりも小さくてよい。
それぞれの濃度ピークは、下面から上面に向かうにつれて濃度値が減少する下りスロープを有してよい。ヘリウム濃度ピークは、上りスロープの傾きが、下りスロープの傾きよりも小さくてよい。第2のドナー濃度ピークは、上りスロープの傾きが、下りスロープの傾きよりも小さくてよい。
第1の深さと第2の深さとの間におけるドナー濃度分布は、ドナー濃度がほぼ一定の平坦領域を有してよい。平坦領域の深さ方向における長さが、半導体基板の深さ方向における厚みの10%以上であってよい。
第1の深さと第2の深さとの間におけるドナー濃度分布は、ドナー濃度がほぼ一定の平坦領域を有してよい。平坦領域の深さ方向における長さが10μm以上であってよい。
平坦領域のドナー濃度の最小値は、半導体基板のドナー濃度よりも高くてよい。
第1の深さと第2の深さとの間におけるドナー濃度の最小値は、半導体基板のドナー濃度よりも高くてよい。
ヘリウム濃度ピークの濃度値が、水素濃度ピークの濃度値よりも小さくてよい。
半導体装置は、半導体基板に設けられたN型のドリフト領域を備えてよい。半導体装置は、半導体基板において上面に接して設けられ、ドリフト領域よりもドナー濃度の高いエミッタ領域を備えてよい。半導体装置は、エミッタ領域とドリフト領域との間に設けられたP型のベース領域を備えてよい。半導体装置は、半導体基板において下面に接して設けられたP型のコレクタ領域を備えてよい。コレクタ領域とドリフト領域との間に設けられ、ドリフト領域よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有するN型のバッファ領域を備えてよい。第1のドナー濃度ピークは、バッファ領域のドナー濃度ピークであってよい。
半導体装置は、ベース領域とドリフト領域との間に設けられ、ドリフト領域よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有する蓄積領域を備えてよい。第2のドナー濃度ピークは、蓄積領域のドナー濃度ピークであってよい。
蓄積領域は、第2のドナー濃度ピーク以外に、水素以外のドナーによるドナー濃度ピークを有してよい。
第2のドナー濃度ピークは、バッファ領域と蓄積領域との間に配置されていてよい。
半導体装置は、半導体基板の上面に設けられたゲートトレンチ部を備えてよい。第2のドナー濃度ピークは、ゲートトレンチ部の底部と、半導体基板の上面との間に配置されていてよい。
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、半導体基板の上面視において活性部を囲んで設けられたエッジ終端構造部を備えてよい。半導体基板は、ヘリウム濃度ピークの位置に注入されたヘリウムが通過した通過領域を有してよい。深さ方向において、エッジ終端構造部に設けられた通過領域は、活性部に設けられた通過領域よりも短いか、または、エッジ終端構造部には通過領域が設けられていなくてよい。
半導体装置は、半導体基板に設けられたトランジスタ部およびダイオード部を備えてよい。深さ方向において、ダイオード部に設けられた通過領域は、トランジスタ部に設けられた通過領域よりも短いか、または、ダイオード部には通過領域が設けられていなくてよい。
深さ方向において、トランジスタ部に設けられた通過領域は、ダイオード部に設けられた通過領域よりも短いか、または、トランジスタ部には通過領域が設けられていなくてよい。
第1の深さが、下面から深さ方向に5μm以下の範囲に含まれていてよい。
水素濃度ピークにおけるドナー濃度が、1×1015/cm3以上、1×1017/cm3以下であってよい。
本発明の第2の態様においては、上面および下面を有する半導体基板を備える半導体装置を提供する。半導体基板の上面と下面とを結ぶ深さ方向における水素濃度分布が、下面から深さ方向に5μm以下の範囲に配置された水素濃度ピークと、水素濃度ピークよりも上面側に配置されたヘリウム濃度ピークとを有してよい。
半導体基板は、下面と水素濃度ピークの間に不純物濃度ピークを有し、不純物はアルゴンまたはフッ素であってよい。
本発明の第3の態様においては、第1の態様に係る半導体装置の製造方法を提供する。製造方法は、半導体基板の下面から第1の深さに水素を注入する第1注入段階を備えてよい。製造方法は、半導体基板の下面から第2の深さにヘリウムを注入して、ヘリウムが通過した通過領域を形成する第2注入段階を備えてよい。製造方法は、半導体基板を熱処理して、第1の深さに注入された水素を、通過領域に拡散させる拡散段階を備えてよい。拡散段階において熱処理された半導体基板において、通過領域のドナー濃度の最小値が、水素を注入する前の半導体基板のドナー濃度よりも高くなるように、第1注入段階における水素のドーズ量を定めてよい。
第1注入段階では、半導体基板における水素の拡散係数と、第2の深さから定まる最小ドーズ量以上のドーズ量で、水素を注入してよい。
半導体基板はシリコン基板であり、下面からの第2の深さをx(cm)とした場合に、第1注入段階における水素のドーズ量Q(/cm2)が下式を満たしてよい。
Q≧1.6×1013×e0.06x
Q≧1.6×1013×e0.06x
第1注入段階において、プラズマドーピングにより、第1の深さに水素を注入してよい。
プラズマドーピングの後に、半導体基板の下面を研削してよい。
プラズマドーピングの後に、半導体基板の下面をレーザーアニールしてよい。
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。
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。
本明細書において化学濃度とは、活性化の状態によらずに測定される不純物の濃度を指す。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。本明細書において、ドナーおよびアクセプタの濃度差を、ドナーまたはアクセプタのうちの多い方の濃度とする場合がある。当該濃度差は、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)により計測されるキャリア濃度を、ドナーまたはアクセプタの濃度としてよい。また、ドナーまたはアクセプタ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またはアクセプタの濃度としてよい。ドナーまたはアクセプタが存在する領域におけるドナーまたはアクセプタ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またはアクセプタ濃度の平均値をドナーまたはアクセプタ濃度としてよい。本明細書の単位系は、特に断りがなければSI単位系である。長さの単位をcmで表示することがあるが、諸計算はメートル(m)に換算してから行ってよい。
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。半導体基板10は、製造時に注入された不純物等によって定まるドナー濃度を有する。本例の半導体基板10の導電型はN-型である。本明細書では、半導体基板10におけるドナー濃度を基板濃度と称する場合がある。
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。半導体基板10には、IGBTまたはFWD等の半導体素子が形成されているが、図1ではこれらの素子構造を省略している。
半導体基板10には、下面23側から水素イオンおよびヘリウムイオンが注入されている。本例の水素イオンはプロトンである。水素イオンは、半導体基板10の深さ方向(Z軸方向)において深さZ1に注入されている。ヘリウムイオンは、深さZ2に注入されている。本例では、2つの深さのうち、下面23に近い方を第1の深さZ1とし、下面23から見て第1の深さZ1よりも深い方を第2の深さZ2とする。図1においては、注入された水素およびヘリウムを×印で模式的に示しているが、水素およびヘリウムは注入位置Z1、Z2の周囲にも分布する。
第1の深さZ1は、半導体基板10の深さ方向において下面23側に配置されてよい。例えば第1の深さZ1は、下面23を基準として、半導体基板10の厚みの半分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。第2の深さZ2は、半導体基板10の深さ方向において上面21側に配置されてよい。例えば第2の深さZ2は、上面21を基準として、半導体基板10の厚みの半分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。ただし、第1の深さZ1および第2の深さZ2はこれらの範囲に限定されない。
第2の深さZ2に注入されたヘリウムイオンは、下面23から第2の深さZ2までの通過領域106を通過する。通過領域106には、ヘリウムイオンが通過したことによって空孔(V)、複空孔(VV)等の空孔欠陥が発生する。本明細書では、特に言及がなければ空孔は複空孔も含むものとする。通過領域106における空孔密度は、第2の深さZ2に注入するヘリウムイオンのドーズ量等で調整できる。
第1の深さZ1に水素イオンを注入した後に半導体基板10を熱処理することで、第1の深さZ1に注入された水素が、通過領域106に拡散する。通過領域106に存在する空孔(V)および酸素(O)と水素(H)とが結合することで、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。これにより、通過領域106のドナー濃度を、半導体基板10の基となる半導体インゴットの製造時におけるドナー濃度Db(または比抵抗、ベースドーピング濃度)よりも高くすることができる。従って、半導体基板10に形成される素子が有するべき特性に応じて、半導体基板10のドナー濃度を容易に調整できる。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106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。
なお、ベースドーピング濃度Dbを設定するためのドーパントは、半導体インゴット製造時に添加するドーパントである。一例として半導体インゴットがシリコンの場合、n型のならリン、アンチモン、ヒ素であり、p型ならホウ素、アルミニウムなどでよい。シリコン以外の化合物半導体、酸化物半導体の場合も、それぞれのドーパントであってよい。また、半導体インゴットの製造方法は、フロートゾーン(FZ)法、チョクラルスキー(CZ)法、磁場印加チョクラルスキー(MCZ)法のいずれであってよい。
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、ベースドーピング濃度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、図1に示した半導体装置100によれば、水素イオンおよびヘリウムイオンのドーズ量および注入深さを制御することで、半導体装置100完成時の半導体基板10のドナー濃度および通過領域106の範囲を、ベースドーピング濃度Dbよりも部分的に高くできる。このため、ベースドーピング濃度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、水素イオンおよびヘリウム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、ヘリウムイオンを注入することで生じる空孔(V)の濃度も高精度に制御でき、通過領域106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、深さ方向の水素濃度分布、ヘリウム濃度分布、ドナー濃度分布および空孔欠陥濃度分布175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、単位体積当たりの水素濃度、ヘリウム濃度およびドナー濃度および空孔欠陥濃度を対数軸で示している。なお、空孔欠陥濃度分布175については、水素イオンおよびヘリウムイオンをイオン注入した直後の分布である。半導体装置100が完成したときには、イオン注入した直後に比べて空孔は減少または消滅しており、図2とは異なる濃度分布を示す。図2における水素濃度およびヘリウム濃度は、例えばSIMS法で計測される化学濃度である。図2におけるドナー濃度は、例えばCV法またはSR法で計測される、電気的に活性化したドーピング濃度である。図2では、水素濃度分布、ヘリウム濃度分布および空孔欠陥濃度分布175を破線で示し、ドナー濃度分布を実線で示している。
水素濃度分布は、水素濃度ピーク131を有する。ヘリウム濃度分布は、ヘリウム濃度ピーク141を有する。水素濃度ピーク131は、第1の深さZ1において極大値を示している。ヘリウム濃度ピーク141は、第2の深さZ2において極大値を示している。
ドナー濃度分布は、第1のドナー濃度ピーク111および第2のドナー濃度ピーク121を有する。第1のドナー濃度ピーク111は、第1の深さZ1において極大値を示している。第2のドナー濃度ピーク121は、第2の深さZ2において極大値を示している。ただし、第1のドナー濃度ピーク111が極大値を示す位置は、第1の深さZ1と厳密に一致していなくともよい。例えば、第1の深さZ1を基準とした水素濃度ピーク131の半値全幅の範囲内に、第1のドナー濃度ピーク111が極大値を示す位置が含まれていれば、第1のドナー濃度ピーク111が実質的に第1の深さZ1に配置されているとしてよい。同様に、第2の深さZ2を基準としたヘリウム濃度ピーク141の半値全幅の範囲内に、第2のドナー濃度ピーク121が極大値を示す位置が含まれていれば、第2のドナー濃度ピーク121が実質的に第2の深さZ2に配置されているとしてよい。
空孔欠陥濃度分布175は、水素濃度ピーク131に対応した第1の空孔濃度ピークと、ヘリウム濃度ピーク141に対応した第2の空孔濃度ピーク(空孔濃度ピーク171)を有する。ただし、第1の空孔濃度ピークについては図示を省略する。空孔濃度ピーク171は、第2の深さZ2において極大値を示している。
それぞれの濃度ピークは、半導体基板10の下面23から上面21に向かうにつれて、濃度値が増大する上りスロープと、濃度値が減少する下りスロープとを有する。本例では、水素濃度ピーク131は上りスロープ132および下りスロープ133を有する。ヘリウム濃度ピーク141は上りスロープ142および下りスロープ143を有する。第1のドナー濃度ピーク111は上りスロープ112および下りスロープ113を有する。第2のドナー濃度ピーク121は上りスロープ122および下りスロープ123を有する。空孔濃度ピーク171は上りスロープ172および下りスロープ173を有する。
半導体基板10のドナーには、水素イオンを注入する前から半導体基板10に存在していたドナー、すなわちベースドーピング濃度(濃度Db)と、注入された水素が活性化したドナーと、上述したVOH欠陥とが含まれる。水素がドナーとして活性化する比率は、例えば1%程度である。通過領域106のうち、第1の深さZ1および第2の深さZ2からある程度離れた領域では、水素化学濃度に対応するVOH欠陥によるドナーよりも、空孔欠陥濃度に対応するVOH欠陥によるドナーの比率が高くなり、ドナー濃度は空孔欠陥の濃度に律速される。水素化学濃度に対応するVOH欠陥とは、空孔欠陥濃度よりも、水素化学濃度が支配的なVOH欠陥を指す。空孔欠陥濃度に対応するVOH欠陥とは、水素化学濃度よりも、空孔欠陥濃度が支配的なVOH欠陥を指す。
ここで、水素化学濃度分布が支配的なVOH欠陥とは、下記の意味とする。空孔、酸素、水素がクラスターを形成してVOH欠陥を形成する場合において、空孔欠陥濃度に対して水素化学濃度が十分多いために、VOH欠陥によるドナー濃度の分布が、水素化学濃度の分布に相似であることを示す。一例として、ある深さおよびその近傍の深さにおいて、空孔欠陥濃度よりも水素化学濃度が大きい場合に、水素化学濃度分布が支配的なVOH欠陥のドナー濃度分布になると言える。
一方、空孔欠陥濃度分布175が支配的なVOH欠陥とは、水素化学濃度に対して空孔欠陥濃度が十分多いために、VOH欠陥によるドナー濃度の分布が、空孔欠陥濃度の分布に相似であることを示す。一例として、ある深さおよびその近傍の深さにおいて、水素化学濃度よりも空孔欠陥濃度が大きい場合に、空孔欠陥濃度分布175が支配的なVOH欠陥のドナー濃度分布になると言える。
通過領域106には、第1の深さZ1および第2の深さZ2の近傍を除き、水素が通過することで生じた空孔(V、VV等)が、図2に示すように深さ方向にほぼ一様の濃度で分布すると考えられる。また、半導体基板10の製造時等に注入される酸素(O)も、深さ方向に一様に分布すると考えられる。また、通過領域106には、水素濃度ピーク131の水素が拡散するので十分な量の水素が存在する。これらが、VOH欠陥として、平坦なドナー分布を形成する。
このため、第1の深さZ1および第2の深さZ2の近傍以外の通過領域106には、ドナーとして機能するVOH欠陥がほぼ一様に分布した平坦領域150が存在する。平坦領域150におけるドナー濃度分布は、深さ方向においてほぼ一定である。ドナー濃度が深さ方向においてほぼ一定とは、例えば、ドナー濃度の最大値と最小値との差分がドナー濃度の最大値の50%以内である領域が、深さ方向に連続している状態を指してよい。当該差分は、当該領域のドナー濃度の最大値の30%以下であってよく、10%以下であってもよい。
あるいは、深さ方向の所定範囲におけるドナー濃度分布の平均濃度に対して、ドナー濃度分布の値が、当該ドナー濃度分布の平均濃度の±50%以内にあってよく、±30%以内にあってよく、±10%以内にあってよい。深さ方向の所定範囲は、一例として以下の通りでよい。つまり、第1の深さZ1から第2の深さZ2までの長さをZLとして、Z1とZ2との間の中心Zcから、第1の深さZ1側および第2の深さZ2側にそれぞれ0.25Z離れた2点間の長さ0.5ZLの区間を当該範囲としてよい。平坦領域150の長さに応じて、所定範囲の長さを0.75ZLとしてもよく、0.3ZLとしてもよく、0.9ZLとしてもよい。
平坦領域150が設けられる範囲は、ヘリウム濃度ピーク141の位置により制御できる。平坦領域150は、水素濃度ピーク131と、ヘリウム濃度ピーク141との間に設けられる。また、平坦領域150のドナー濃度は、ヘリウム濃度ピーク141におけるヘリウムイオンのドーズ量で制御できる。ヘリウムイオンのドーズ量を多くすることで、通過領域106に生じる空孔(V)が多くなり、ドナー濃度が上昇する。
なお、水素濃度ピーク131よりも深い位置にヘリウムイオンを注入するにあたり、ヘリウムイオンの加速エネルギーを、ヘリウムイオンが半導体基板10を突き抜ける(貫通する)程度の値まで高くしてもよい。つまり、ヘリウム濃度ピーク141が半導体基板10に残留しないようにしてもよい。これにより、空孔欠陥の濃度を増加させることも可能である。一方で、加速エネルギーが過大の場合、イオン注入時に基板が受けるダメージが強すぎて、通過領域106の空孔欠陥の分布に平坦性が保てなくなる場合がある。そのため、ヘリウム濃度ピーク141が半導体基板10の内部に位置するようにしてよい。
ヘリウム濃度ピーク141は、水素濃度ピーク131よりも深い位置に設けられるので、ピークの広がり方が、水素濃度ピーク131よりも大きくなりやすい。このため、第2のドナー濃度ピーク121も、第1のドナー濃度ピーク111に比べて、ピークの広がり方が大きくなりやすい。つまり、第2のドナー濃度ピーク121は、第1のドナー濃度ピーク111よりもなだらかなピークになりやすい。
また本例では、水素濃度ピーク131の濃度値が、ヘリウム濃度ピーク141の濃度値よりも大きい。水素濃度ピーク131の濃度値が、ヘリウム濃度ピーク141の濃度値の10倍以上であってよく、100倍以上であってもよい。他の例では、水素濃度ピーク131の濃度値が、ヘリウム濃度ピーク141の濃度値以下であってもよい。
本例では、水素濃度ピーク131の濃度値が高いので、水素濃度ピーク131においてドナーとして活性化する水素の量も比較的に多くなる。つまり、空孔欠陥濃度分布175に対して、水素化学濃度分布が支配的なVOH欠陥のドナーの比率が高くなる。この場合、第1のドナー濃度ピーク111の形状は、水素濃度ピーク131の形状と相似する。
一方で、ヘリウム濃度ピーク141は水素濃度ピーク131から離れているので、ヘリウム濃度ピーク141においてドナーとして活性化する水素の量は少ない。つまり、水素化学濃度分布が支配的なVOH欠陥のドナーに比べて、空孔欠陥濃度分布175が支配的なVOH欠陥のドナーの比率が比較的に高くなる。この場合、第2のドナー濃度ピーク121の形状と、ヘリウム濃度ピーク141の形状との相似度は、第1のドナー濃度ピーク111の形状と水素濃度ピーク131の形状との相似度よりも小さくなる。VOH欠陥は、通過領域106のほとんどにおいてほぼ一様に分布すると考えられるので、第2のドナー濃度ピーク121は、更になだらかな形状になる。ピーク形状の相似度は、水素濃度ピークまたはヘリウム濃度ピークと、ドナー濃度ピークとの間で、対応するスロープの傾きの差が大きくなるほど小さい値を示す指標であってよい。
このような構造により、第1の深さZ1と、第2の深さZ2との間に、平坦領域150を設けることができる。平坦領域150の深さ方向における長さは、半導体基板10の深さ方向における厚みの10%以上であってよく、30%以上であってよく、50%以上であってもよい。また、平坦領域150の深さ方向における長さは、10μm以上であってよく、30μm以上であってよく、50μm以上であってよく、100μm以上であってもよい。
平坦領域150のドナー濃度の最小値は、半導体基板10のベースドーピング濃度Dbより高くてよい。つまり、平坦領域150のドナー濃度は、平坦領域150の全体にわたって、ベースドーピング濃度Dbより高くてよい。平坦領域150のドナー濃度と、半導体基板10のベースドーピング濃度Dbとの差分は、例えばヘリウム濃度ピーク141におけるヘリウムドーズ量で調整できる。
第1の深さZ1と第2の深さZ2との間におけるドナー濃度の最小値は、半導体基板10のベースドーピング濃度より高くてもよい。水素濃度ピーク131と、ヘリウム濃度ピーク141との間は、N型の領域が連続して設けられていてよい。また、第2の深さZ2と、半導体基板10の下面23との間におけるドナー濃度の最小値は、半導体基板10のドナー濃度より高くてもよい。
図3Aは、水素濃度ピーク131と、第1のドナー濃度ピーク111との関係を説明する図である。本例では、水素濃度ピーク131の上りスロープ132の傾き134を用いて、第1のドナー濃度ピーク111の上りスロープ112の傾き114を規格化する。規格化は、一例として傾き134で傾き114を除算する処理である。なお、本明細書において、傾きは、傾きの絶対値という意味で使用される場合がある。
上りスロープの傾きは、濃度が極大値を示す位置と、濃度が極大値に対して予め定められた比率となる位置との傾きであってよい。予め定められた比率は、80%であってよく、50%であってよく、10%であってよく、1%であってよく、他の比率を用いてもよい。また、水素濃度ピーク131および第1のドナー濃度ピーク111においては、第1の深さZ1と、半導体基板10の下面23との間の濃度分布の傾きを用いてもよい。図3Aに示す例では、水素濃度ピーク131の傾き134は(H1-aH1)/(Z1-Z3)で与えられ、第1のドナー濃度ピーク111の傾き114は(D1-aD1)/(Z1-Z4)で与えられる。H1は第1の深さZ1における水素濃度であり、D1は第1の深さZ1におけるドナー濃度であり、aは予め定められた比率であり、Z3は水素濃度ピーク131の上りスロープ132において水素濃度がaH1となる深さであり、Z4は第1のドナー濃度ピーク111の上りスロープ112においてドナー濃度がaD1となる深さである。例えば、傾き134で傾き114を規格化すると、(D1-aD1)(Z1-Z3)/{(H1-aH1)(Z1-Z4)}となる。傾き134で傾き114を規格化した傾きをαとする。
図3Bは、ヘリウム濃度ピーク141と、第2のドナー濃度ピーク121との関係を説明する図である。本例では、ヘリウム濃度ピーク141の上りスロープ142の傾き144を用いて、第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の傾き124を規格化する。
図3Bに示す例では、ヘリウム濃度ピーク141の傾き144は(H2-aH2)/(Z2-Z5)で与えられ、第2のドナー濃度ピーク121の傾き124は(D2-aD2)/(Z2-Z6)で与えられる。H2は第2の深さZ2におけるヘリウム濃度であり、D2は第2の深さZ2におけるドナー濃度であり、aは予め定められた比率であり、Z5はヘリウム濃度ピーク141の上りスロープ142においてヘリウム濃度がaH2となる深さであり、Z6は第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122においてドナー濃度がaD2となる深さである。第2のドナー濃度ピーク121の傾きを規格化するのに用いる比率aは、第1のドナー濃度ピーク111の傾きを規格化するのに用いる比率aと同一であってよく、異なっていてもよい。例えば、傾き144で傾き124を規格化すると、(D2-aD2)(Z2-Z5)/{(Z2-Z6)(H2-aH2)}となる。傾き144で傾き124を規格化した傾きをβとする。
第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の規格化された傾きβは、第1のドナー濃度ピーク111の上りスロープ112の規格化された傾きαよりも小さい。つまり、第2のドナー濃度ピーク121のほうが、第1のドナー濃度ピーク111に比べて、水素またはヘリウムの濃度ピークに対してよりなだらかなピークになっている。このような第2のドナー濃度ピーク121が形成されるように水素イオンおよびヘリウムイオンを注入することで、平坦領域150を形成できる。また、第2のドナー濃度ピーク121をなだらかな形状にすることで、平坦領域150の先端におけるドナー濃度の変化を緩やかにすることもできる。第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の規格化された傾きβは、第1のドナー濃度ピーク111の上りスロープ112の規格化された傾きαの1倍以下であってよく、0.1倍以下であってよく、0.01倍以下であってもよい。
また、ヘリウム濃度ピーク141の上りスロープ142の傾き144は、下りスロープ143の傾き145よりも小さくてよい。下面23から深い位置に注入したヘリウムイオンの濃度分布は、下面23側にゆるやかな裾を引く場合があるので、上りスロープ142の傾き144と、下りスロープ143の傾き145とを比較することで、ヘリウム濃度ピーク141のヘリウムが、下面23側から注入されたか否かを判別できる場合がある。傾き145は(H2-aH2)/(Z7-Z2)で与えられる。傾き125は(D2-aD2)/(Z7-Z2)で与えられる。なお、図3Bにおいては、第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の傾き124が、下りスロープ123の傾き125より大きいが、ヘリウム濃度ピーク141と同様に、第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の傾き124は、下りスロープ123の傾き125より小さくてもよい。
図3Cは、上りスロープ142の傾きを説明する図である。上りスロープ142の傾きは、以下のように考えてもよい。図3Cに記載しているように、ヘリウム濃度ピーク141において、ピーク濃度H2の10%(0.1×H2)の濃度となる2つの位置Z8、Z9の間の幅(10%全幅)を、FW10%Mとする。2つの位置Z8、Z9は、ピーク位置Z2を挟んで、ヘリウム濃度が0.1×H2となる点のうち、ピーク位置Z2に最も近い2つの位置である。2つの位置Z8、Z9のうち水素濃度ピーク側の位置をZ8とする。位置Z8におけるドナー濃度の傾きはほぼ平坦である。位置Z8におけるヘリウム濃度の傾きは、位置Z8におけるドナー濃度の傾きの100倍を超える。例えば、位置Z8におけるヘリウム濃度の傾きは位置Z8におけるドナー濃度の傾きの100倍以上であってよく、1000倍以上であってよい。
図4Aは、上りスロープ112の傾きの規格化の他の定義を説明する図である。上りスロープ112の傾きの規格化においては、例えば、以下の指標γを導入する。図3Aの例では位置Z3と位置Z4とが異なっていたが、本例では位置Z3と位置Z4を同じ位置とする(Z3=Z4)。位置Z3は、ここでは予め定められた位置である。位置Z3は、水素濃度分布およびドナー濃度分布が、位置Z1よりも下面側にて上りスロープ132、112となっている位置であればよい。位置Z3における水素濃度をa×H1、ドナー濃度をb×D1とする。aは位置Z1の水素濃度ピーク131の濃度H1に対する、位置Z3における水素濃度の比率である。bは位置Z1の第1のドナー濃度ピーク111の濃度D1に対する、位置Z3のドナー濃度の比率である。ここで、区間Z3~Z1における水素濃度およびドナー濃度のそれぞれ傾きの比と、当該傾きの比を規格化した傾き比γを導入する。区間Z3~Z1における水素濃度の傾きの比を、(H1/aH1)/(Z1-Z3)と定義する。同じく、区間Z3~Z1におけるドナー濃度の傾きの比を、(D1/bD1)/(Z1-Z3)と定義する。そして、区間Z3~Z1における水素濃度の傾きの比で、ドナー濃度の傾きの比を規格化した傾き比γを、{(D1/bD1)/(Z1-Z3)}/{(H1/aH1)/(Z1-Z3)}と定義する。規格化した傾き比γは、前式を計算することにより、簡単な比a/bとなる。
図4Bは、上りスロープ122の傾きの規格化の他の定義を説明する図である。上りスロープ122の傾きの規格化においては、例えば、指標γと同様の指標εを導入する。図3Bの例では位置Z5と位置Z6とが異なっていたが、本例では位置Z5と位置Z6を同じ位置とする(Z5=Z6)。位置Z5は、ここでは予め定められた位置である。位置Z5は、ヘリウム濃度分布およびドナー濃度分布が、位置Z2よりも下面側にて上りスロープ142、122となっている位置であればよい。位置Z5におけるヘリウム濃度をc×H2、ドナー濃度をd×D2とする。cは位置Z2のヘリウム濃度ピーク141の濃度H2に対する、位置Z5におけるヘリウム濃度の比率である。dは位置Z1の第2のドナー濃度ピーク121の濃度D2に対する、位置Z5のドナー濃度の比率である。ここで、区間Z5~Z2におけるヘリウム濃度およびドナー濃度のそれぞれ傾きの比と、当該傾きの比を規格化した傾き比εを導入する。区間Z5~Z2におけるヘリウム濃度の傾きの比を、(H2/cH2)/(Z2-Z5)と定義する。同じく、区間Z5~Z2におけるドナー濃度の傾きの比を、(D2/dD2)/(Z2-Z5)と定義する。そして、区間Z5~Z2におけるヘリウム濃度の傾きの比で、ドナー濃度の傾きの比を規格化した傾き比εを、{(D2/dD2)/(Z2-Z5)}/{(H2/cH2)/(Z2-Z5)}と定義する。規格化した傾き比εは、前式を計算することにより、簡単な比c/dとなる。
水素濃度ピーク131と第1のドナー濃度ピーク111については、水素濃度分布とドナー濃度分布は相似形になることが多い。ここで相似形になるとは、例えば横軸を深さ、縦軸を濃度の常用対数としたときに、ドナー濃度分布は水素濃度分布を反映した分布を示すことを意味する。すなわち、所定の区間Z3~Z1において、水素イオンをイオン注入し、さらに熱アニールを行うことにより、ドナー濃度分布は水素濃度分布を反映した分布となる。一例として、水素濃度ピーク131のH1が1×1017atоms/cm3で、位置Z3の水素濃度aH1が2×1016atоms/cm3とすると、aは0.2となる。一方、第1のドナー濃度ピーク111のD1が1×1016atоms/cm3で、位置Z3のドナー濃度bD1が2×1015atоms/cm3とすると、bは0.2となる。したがって、規格化した傾き比γは、a/bであるので、1となる。すなわち、下面に近い深さ位置Z1においては、水素濃度分布の傾きの比aとドナー濃度分布の傾きの比bはほぼ同じ値となり、相似形であると言える。
一方、ヘリウム濃度ピーク141と第2のドナー濃度ピーク121については、ヘリウム濃度分布とドナー濃度分布は相似形にならなくてもよい。すなわち、所定の区間Z5~Z2において、ドナー濃度分布はヘリウム濃度分布を反映しなくてもよい。一例として、ヘリウム濃度ピーク141のH2が1×1016atоms/cm3で、位置Z5のヘリウム濃度cH2が1×1015atоms/cm3とすると、cは0.1となる。一方、第2のドナー濃度ピーク121のD2が3×1014atоms/cm3で、位置Z5のドナー濃度dD2が1.5×1014atоms/cm3とすると、dは0.5となる。したがって、規格化した傾き比εは、c/dであるので、0.2となる。すなわち、下面から十分深い位置深さ位置Z2においては、ヘリウム濃度分布の傾きの比cはドナー濃度分布の傾きの比dよりも0.2倍の値となり、相似とは離れた形を示すと言える。
規格化した傾き比γとεを比較すると、ヘリウム濃度分布のピーク位置が下面に近い場合にγは1に近くなり、ヘリウム濃度分布のピーク位置が下面から十分深い場合にはεは1よりも十分小さい値になってよい。すなわち、規格化した傾き比εは、規格化した傾き比γよりも小さくてよい。さらに、傾き比εは、0.9以下であってよく、0.5以下であってよく、0.2以下であってよい。あるいは、0.1以下であってよく、0.01以下であってもよい。
さらに、第2のドナー濃度ピーク121の他の例として、キャリア移動度の低下により、広がり抵抗から算出したドナー濃度、すなわちキャリア濃度が、深さ位置Z2において前後の位置のキャリア濃度より低下する場合がある。このような場合は、上りスロープ122は減少の傾きとなるので、dは符号を負とする。つまりdは絶対値が1以上の負の数となる。これにより、εは負の数となる。すなわち、規格化した傾き比εは規格化した傾き比γよりも小さくてよい。さらに、傾き比εは、0.9以下であってよく、0以下であってよく、-1以下であってもよい。あるいは、-10以下であってよく、-100以下であってよい。
なお、ヘリウム濃度ピーク141の実際の位置と、第2のドナー濃度ピーク121の実際の位置が、異なる場合もある。また、水素濃度ピーク131の位置と第1のドナー濃度ピーク111の位置も、厳密に一致しない場合もある。このように水素またはヘリウムの濃度ピークの位置と、ドナー濃度の位置とが一致しない場合は、ドナー濃度については、水素またはヘリウム濃度のピーク位置における濃度を便宜的にピークの位置としてもよい。これにより、上記の定義による計算は可能となる。
以上の説明で重要な点は、ヘリウム濃度ピーク141は、極大値を備えることである。すなわち、ヘリウム濃度の分布が、深さZ2において極大値を備えることである。ヘリウム濃度ピーク141が極大値を備えていることで、上記の規格化した傾き比の比較を可能としている。
図5は、平坦領域150を説明する図である。上述したように、平坦領域150におけるドナー濃度分布は、深さ方向においてほぼ一定である。平坦領域150は、ドナー濃度が、所定の最大値maxと所定の最小値minとの間となっている領域が、深さ方向において連続している部分である。最大値maxは、当該領域におけるドナー濃度の最大値を用いてよい。最小値minは、最大値maxの50%の値であってよく、70%の値であってよく、90%の値であってもよい。
あるいは、前述のように、深さ方向の所定範囲におけるドナー濃度分布の平均濃度に対して、ドナー濃度分布の値が、当該ドナー濃度分布の平均濃度の±50%以内にあってよく、±30%以内にあってよく、±10%以内にあってよい。深さ方向の所定範囲も、前述と同じであってよい。
図6は、半導体装置100の構造例を示す図である。本例の半導体装置100は、IGBTとして機能する。本例の半導体装置100は、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54を有する。層間絶縁膜38は、半導体基板10の上面21のすくなくとも一部を覆って形成される。層間絶縁膜38には、コンタクトホール等の貫通孔が形成されている。コンタクトホールにより、半導体基板10の上面21が露出する。層間絶縁膜38は、PSG、BPSG等のシリケートガラスであってよく、酸化膜または窒化膜等であってもよい。
エミッタ電極52は、半導体基板10および層間絶縁膜38の上面に形成される。エミッタ電極52は、コンタクトホールの内部にも形成されており、コンタクトホールにより露出する半導体基板10の上面21と接触している。
コレクタ電極54は、半導体基板10の下面23に形成される。コレクタ電極54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54は、アルミニウム等の金属材料で形成される。
本例の半導体基板10には、N-型のドリフト領域18、N+型のエミッタ領域12、P-型のベース領域14、N+型の蓄積領域16、N+型のバッファ領域20、および、P+型のコレクタ領域22が設けられている。
エミッタ領域12は、半導体基板10の上面21に接して設けられ、ドリフト領域18よりもドナー濃度の高い領域である。エミッタ領域12は、例えばリン等のN型不純物を含む。
ベース領域14は、エミッタ領域12とドリフト領域18との間に設けられている。ベース領域14は、例えばボロン等のP型不純物を含む。トレンチ部の延伸方向(図6のY軸方向)には、エミッタ領域12と交互に配置される、図示しないP型のコンタクト領域を備える。コンタクト領域はベース領域の上面21に形成され、エミッタ領域12よりも深く形成されてよい。コンタクト領域により、ターンオフ時のIGBTのラッチアップを抑制する。
蓄積領域16は、ベース領域14とドリフト領域18との間に設けられ、ドリフト領域18よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有する。蓄積領域16は、リン等のN型不純物を含んでよく、水素を含んでいてもよい。
コレクタ領域22は、半導体基板10の下面23に接して設けられている。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くてよい。コレクタ領域22は、ベース領域14と同一のP型不純物を含んでよく、異なるP型不純物を含んでもよい。
バッファ領域20は、コレクタ領域22とドリフト領域18との間に設けられ、ドリフト領域18よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有する。バッファ領域20は、水素等のN型不純物を有する。バッファ領域20は、ベース領域14の下面側から広がる空乏層が、コレクタ領域22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。
ゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面21から、エミッタ領域12、ベース領域14および蓄積領域16を貫通して、ドリフト領域18に達している。本例の蓄積領域16は、ゲートトレンチ部40の下端よりも上側に配置されている。蓄積領域16は、ベース領域14の下面全体を覆うように設けられてよい。ドリフト領域18とベース領域14との間に、ドリフト領域18よりも高濃度の蓄積領域16を設けることで、キャリア注入促進効果(IE効果、Injection‐Enhancement effect)を高めて、IGBTにおけるオン電圧を低減することができる。
ゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面側に形成さ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形成される。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よりも内側に形成される。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、ゲート絶縁膜42を挟んでベース領域14と対向する領域を含む。当該断面におけるゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面において層間絶縁膜38により覆われているが、ゲート導電部44は、他の断面においてゲート電極と接続されている。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。
第1のドナー濃度ピーク111は、バッファ領域20に設けられてよい。第2のドナー濃度ピーク121は、バッファ領域20よりも上方のN型の領域に設けられてよい。第2のドナー濃度ピーク121は、バッファ領域20と蓄積領域16との間に設けられてよい。本例の第2のドナー濃度ピーク121は、ドリフト領域18に設けられている。第2のドナー濃度ピーク121は、ゲートトレンチ部40の下端よりも下側に配置されていてよく、ゲートトレンチ部40の下端に接して配置されていてよく、ゲートトレンチ部40の下端より上側に配置されていてもよい。また、第2のドナー濃度ピーク121と、蓄積領域16との間には、基板のベースドーピング濃度Dbの領域であるベースドーピング領域180が設けられていてよい。
図7は、図6のB-B線の位置における、深さ方向のキャリア濃度分布の一例を示す図である。図7においては、水素濃度分布およびヘリウム濃度分布の一部を合わせて示している。図7の縦軸は、対数軸である。
本例のバッファ領域20におけるキャリア濃度分布は、深さ方向において異なる位置に設けられた複数のピーク24を有する。ピーク24は、ドナー濃度のピークである。ピーク24は、不純物として水素を有してよい。複数のピーク24を設けることで、空乏層がコレクタ領域22に達することを、より抑制できる。第1のドナー濃度ピーク111は、バッファ領域20におけるピーク24として機能してよい。
一例として第1のドナー濃度ピーク111は、バッファ領域20の複数のピーク24のうち、半導体基板10の下面23から最も離れたピークとして機能してよい。平坦領域150は、バッファ領域20に含まれる第1のドナー濃度ピーク111から、第2のドナー濃度ピーク121の間に配置されている。
第1のドナー濃度ピーク111は、バッファ領域20の複数のピーク24のうち、第1のドナー濃度ピーク111の次に下面23から離れたピーク24よりも、ドナー濃度が高くてよい。第1のドナー濃度ピーク111の濃度を高くすることで、第1のドナー濃度ピーク111と第2のドナー濃度ピーク121との距離が離れていても、平坦領域150を形成しやすくなる。水素濃度分布は、第1の深さZ1と、下面23との間に、1つ以上の水素濃度ピーク194を有してよい。水素濃度ピーク194は、図6等において説明したバッファ領域20に配置されてよい。水素濃度ピーク194は、ピーク24と同一の深さ位置に配置されてよい。
本例の蓄積領域16は、複数のピーク25を有している。ピーク25は、ドナー濃度のピークである。第2のドナー濃度ピーク121は、蓄積領域16よりも、下面23側に配置されている。第2のドナー濃度ピーク121と、蓄積領域16との間には、基板のベースドーピング濃度Dbの領域(ベースドーピング領域180)が設けられていてよい。他の例では、第2のドナー濃度ピーク121と、蓄積領域16との間のドナー濃度は、半導体基板のベースドーピング濃度Dbより高くてもよい。
また、半導体装置100は、半導体基板10として、半導体インゴット製造時にリン(P)等のドーパントがインゴット全体にドーピングされないノンドーピング基板を用いてもよい。この場合、半導体基板10のベースドーピング濃度Dnは、ベースドーピング濃度Dbよりも低い。図7の例では、ドーピング濃度がベースドーピング濃度Dnである領域を、ノンドーピング領域181とする。ノンドーピング領域181のベースドーピング濃度Dnは、例えば1×1010atoms/cm3以上、5×1012atoms/cm3以下である。ベースドーピング濃度Dnは、1×1011atoms/cm3以上であってよい。ベースドーピング濃度Dnは、5×1012atoms/cm3以下であってよい。なお、本明細書における各濃度は、室温における値でよい。室温とは、一例として300K(ケルビン)(約26.9℃)のときの値を用いてよい。
図8は、半導体装置100の他の構造例を示す図である。本例の半導体装置100は、第2のドナー濃度ピーク121(および、ヘリウム濃度ピーク141)が、蓄積領域16に配置されている点で、図6および図7において説明した半導体装置100と相違する。他の構造は、図6および図7において説明した半導体装置100と同一であってよい。
図9は、図8のC-C線の位置における、深さ方向のキャリア濃度分布の一例を示す図である。図9においては、水素濃度分布およびヘリウム濃度分布の一部を合わせて示している。図9の縦軸は、対数軸である。
本例の蓄積領域16におけるキャリア濃度分布は、深さ方向において異なる位置に設けられた複数のピークを有する。当該ピークは、ドナー濃度のピークである。蓄積領域16におけるピークは、不純物として水素またはリンを有してよい。蓄積領域16に複数のピークを設けることで、ゲートトレンチ部とダミートレンチ部とが隣り合って配置された構造において、ゲートトレンチ部への変位電流を抑制できる(例えば、WO2018/030440参照)。ダミートレンチ部は、ゲートトレンチ部と同様の構造を有しており、エミッタ電位が印加されるトレンチ部である。
本例の第2のドナー濃度ピーク121は、蓄積領域16におけるいずれかのドナー濃度ピークとして機能する。一例として第2のドナー濃度ピーク121は、蓄積領域16の複数のピークのうち、半導体基板10の上面21から最も離れたピークとして機能してよい。本例の平坦領域150は、バッファ領域20に含まれる第1のドナー濃度ピーク111から、蓄積領域16に含まれる第2のドナー濃度ピーク121の間に配置されている。
第2のドナー濃度ピーク121のドナー濃度は、バッファ領域20の他のピーク25のドナー濃度に対して低くてよく、同一であってよく、高くてもよい。バッファ領域20が3以上のピークを有する場合、第2のドナー濃度ピーク121以外のピーク25のドナー濃度は同一であってよい。第2のドナー濃度ピーク121のドナー濃度は、平坦領域150が有するべきドナー濃度に応じて定められてよい。
本例のドリフト領域18のキャリア濃度は、深さ方向の全体にわたって、基板のベースドーピング濃度Dbよりも高くてよい。このような構造により、ドリフト領域18のキャリア濃度全体を精度よく調整できる。
第2のドナー濃度ピーク121以外のピーク25は、水素以外のドナーによるピークであってよい。例えばピーク25は、リンがドナーとして機能しているピークである。ドナーとしてリンを用いることでVOH欠陥が生じにくくなり、ピーク25およびその近傍のドナー濃度をリンの濃度で制御しやすくなる。さらに、第2のドナー濃度ピーク121の深さ方向の幅を、ピーク25の深さ方向の幅よりも広くしてよい。これにより、ゲートトレンチ部への変位電流をさらに抑制することができる。また、蓄積領域16の第2のドナー濃度ピーク121とピーク25の間には、図9に示すようにドナー濃度分布の谷があってよい。あるいは、図9の当該2つのピーク間で点線で示すように、蓄積領域16のドナー濃度分布が、谷ではなくキンクになっていてもよい。
図10は、図1のA-A線に示した位置における、深さ方向の水素濃度分布、ヘリウム濃度分布およびキャリア濃度分布を示している。キャリア濃度はSR法で測定した。ヘリウム濃度ピーク141の飛程(Z2)の近傍には、通過領域106よりも多くの欠陥が発生しやすい。水素と結合せずに残った欠陥により、第2の深さZ2の近傍におけるキャリア濃度分布に谷151が生じる場合がある。
谷151が生じていると、第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の傾きが、計算上急峻になる場合がある。このため、上りスロープ122の傾きは、谷151の影響を除外して計算することが好ましい。例えば、第2のドナー濃度ピーク121およびヘリウム濃度ピーク141の各上りスロープの傾きを、第2の深さZ2における各濃度と、深さZcにおける各濃度を用いて計算してよい。深さZcは、谷151よりも下面23側の位置であってよい。本例において深さZcは、平坦領域150の深さ方向における中央の深さである。これにより、谷151の影響を除外して、第2のドナー濃度ピーク121の上りスロープ122の傾きを規格化できる。規格化は上述のように、濃度差の傾きを用いてもよく、濃度の比の傾きを用いてもよい。
図11は、半導体基板10の上面21における各要素の配置例を示す図である。図11においては、半導体基板10の外周の端部を外周端140とする。
半導体装置100は、活性部120およびエッジ終端構造部90を備える。活性部120は、半導体装置100をオン状態に制御した場合に半導体基板10の上面21と下面23との間で主電流が流れる領域である。即ち、半導体基板10の上面21から下面23、または下面23から上面21に、半導体基板10の内部を深さ方向に電流が流れる領域である。
本例の活性部120には、トランジスタ部70およびダイオード部80が設けられている。トランジスタ部70およびダイオード部80は、X軸方向に並んで配置されてよい。図11の例では、トランジスタ部70およびダイオード部80が、X軸方向に交互に接して配置されている。活性部120において、X軸方向における両端には、トランジスタ部70が設けられてよい。エミッタ電極52は、トランジスタ部70およびダイオード部80を覆っていてよい。活性部120は、エミッタ電極52で覆われた領域を指してもよい。
本例のトランジスタ部70は、図6から図10において説明したIGBT(ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ)を有する。本例のダイオード部80は、FWD(還流ダイオード)を有する。それぞれのダイオード部80には、半導体基板10の下面23に接する領域にN+型のカソード領域82が設けられている。図11において、実線で示すダイオード部80は、半導体基板10の下面23にカソード領域82が設けられた領域である。本例の半導体装置100において、半導体基板10の下面23に接する領域のうち、カソード領域82以外の領域には、コレクタ領域22が設けられる。
ダイオード部80は、カソード領域82をZ軸方向に投影した領域である。トランジスタ部70は、半導体基板10の下面23にコレクタ領域22が設けられ、且つ、半導体基板10の上面21にエミッタ領域12を含む単位構造が周期的に設けられた領域である。Y軸方向におけるダイオード部80とトランジスタ部70との境界は、カソード領域82とコレクタ領域22との境界である。カソード領域82を投影した領域を、Y軸方向に活性部120の端部またはゲートランナー48まで伸ばした部分(図11において、ダイオード部80を延長した破線で示される部分)も、ダイオード部80に含めてよい。当該延長部分には、エミッタ領域12が設けられていない。
本例の半導体装置100は、ゲート金属層50およびゲートランナー48を更に備えている。また半導体装置100は、ゲートパッド116およびエミッタパッド118等の各パッドを有してよい。ゲートパッド116は、ゲート金属層50およびゲートランナー48と電気的に接続されている。エミッタパッド118は、エミッタ電極52と電気的に接続されている。
ゲート金属層50は、上面視で活性部120を囲うように設けられてよい。ゲートパッド116およびエミッタパッド118は、ゲート金属層50に囲まれた領域内に配置されてよい。ゲート金属層50は、アルミニウム、または、アルミニウムシリコン合金等の金属材料で形成されてよい。ゲート金属層50は、層間絶縁膜38により半導体基板10と絶縁されている。図11においては、層間絶縁膜38を省略している。また、ゲート金属層50は、エミッタ電極52とは分離して設けられている。ゲート金属層50は、ゲートパッド116に印加されたゲート電圧をトランジスタ部70に伝達する。トランジスタ部70のゲート導電部44は、ゲート金属層50に直接接続され、または、他の導電部材を介して間接的に接続されている。
ゲートランナー48は、ゲート金属層50と、ゲート導電部44とを接続する。ゲートランナー48は、不純物がドープされたポリシリコン等の半導体材料で形成されてよい。ゲートランナー48の一部は、活性部120の上方に設けられてよい。図11に示すゲートランナー48は、活性部120をX軸方向に横切って設けられている。これにより、ゲート金属層50から離れた活性部120の内側においても、ゲート電圧の低下および遅延を抑制できる。ゲートランナー48の一部は、ゲート金属層50に沿って、活性部120を囲んで配置されていてもよい。ゲートランナー48は、活性部120の端部において、ゲート導電部44と接続されてよい。
エッジ終端構造部90は、半導体基板10の上面21において、活性部120と半導体基板10の外周端140との間に設けられる。本例では、エッジ終端構造部90と活性部120との間に、ゲート金属層50が配置されている。エッジ終端構造部90は、半導体基板10の上面21において活性部120を囲むように環状に配置されてよい。本例のエッジ終端構造部90は、半導体基板10の外周端140に沿って配置されている。エッジ終端構造部90は、半導体基板10の上面21側の電界集中を緩和する。エッジ終端構造部90は、例えばガードリング、フィールドプレート、リサーフおよびこれらを組み合わせた構造を有する。
図12は、図11におけるc-c'断面の一例を示す図である。図12においては、図1から図10において説明した通過領域106の、当該断面における配置例を示している。図12においては、通過領域106に斜線のハッチングを付している。なお図12では、ドリフト領域18における通過領域106のみを示しており、バッファ領域20、コレクタ領域22およびカソード領域82における通過領域106は省略している。
図12に示す断面は、エッジ終端構造部90、トランジスタ部70およびダイオード部80を含むXZ面である。なお、エッジ終端構造部90およびトランジスタ部70の間には、ゲート金属層50およびゲートランナー48が配置されているが、図12では省略している。トランジスタ部70の構造は、図6から図10において説明したIGBTと同様である。
ダイオード部80は、半導体基板10の内部において、ベース領域14、ドリフト領域18、カソード領域82およびダミートレンチ部30を備える。ベース領域14およびドリフト領域18は、トランジスタ部70におけるベース領域14およびドリフト領域18と同一である。
ダイオード部80において半導体基板10の上面21に接する領域には、ベース領域14が設けられていてよく、コンタクト領域15が設けられていてもよい。コンタクト領域15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。本例のダイオード部80には、エミッタ領域12は設けられていない。また、ダイオード部80には、蓄積領域16が設けられていてよく、設けられていなくともよい。
ダミートレンチ部30は、ゲートトレンチ部40と同一の構造を有する。ただしダミートレンチ部30は、エミッタ電極52と電気的に接続されている。ダミートレンチ部30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まで設けられている。ダミートレンチ部30は、トランジスタ部70にも設けられてよい。トランジスタ部70には、ダミートレンチ部30とゲートトレンチ部40とが、予め定められた周期で配置されてよい。
トランジスタ部70とダイオード部80の間には、中間境界領域190があってよい。中間境界領域190は、トランジスタ部70の動作もダイオード部80の動作も直接的に行わない領域である。一例として、中間境界領域190の上面21に接する領域は、ダイオード部80の上面21側と同じ構造を有してよい。また、上面視で、中間境界領域190の下面23に接する領域には、トランジスタ部70のコレクタ領域が延伸して設けられてよい。図12においては、中間境界領域190の範囲例だけを矢印で示している。図12においては、中間境界領域190として例示した範囲も、トランジスタ部70と同一の構造になっている。
ダイオード部80のドリフト領域18で、深さ方向の中心よりも上面21側には、ライフタイム制御領域192が設けられてよい。ライフタイム制御領域192は、キャリア(電子または正孔)の再結合中心が、周辺よりも高い濃度で設けられた領域である。再結合中心は、空孔や複空孔などの空孔系の欠陥であってよく、転位であってよく、格子間原子であってよく、遷移金属等であってよい。ライフタイム制御領域192は、ダイオード部80から中間境界領域190まで延伸してよい。
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。各ガードリング92は、上面21において活性部120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120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近傍にイオン注入により形成された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。
半導体基板10の上面21側には、保護膜182が設けられる。保護膜182は、エッジ終端構造部90、ゲート金属層50、境界部72および活性部のうち境界部72に接する部分の一部などを覆ってよい。保護膜182は、絶縁性膜、有機薄膜であってよい。本例の保護膜182はポリイミドである。エミッタ電極52のうち保護膜182が形成されておらずに露出する部分の全面に、めっき層184が設けられてよい。めっき層184の表面は保護膜182の表面よりも上面21側に位置してよい。めっき層184は、半導体装置100が実装されるパワーモジュールの電極端子と接続している。
チャネルストッパ174は、外周端140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120において発生した空乏層を半導体基板10の外周端140において終端させる機能を有する。
トランジスタ部70と、エッジ終端構造部90との間には、境界部72が設けられていてもよい。境界部72は、半導体基板10の上面21側において、コンタクト領域15、ベース領域14およびダミートレンチ部30を有してよい。境界部72は、ベース領域14よりもドーピング濃度の高いP+型のウェル領域11を有してよい。ウェル領域11は、半導体基板10の上面21に接して設けられる。ウェル領域11の上方には、ゲート金属層50およびゲートランナー48が設けられてよい。ウェル領域11の底部の深さは、ガードリング92の底部と同じ深さであってよい。境界部72における一部のトレンチ部は、ウェル領域11内に形成されてよい。境界部72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。
本例では、ヘリウム濃度ピーク141は、ゲートトレンチ部40のZ軸方向における底部と、半導体基板10の上面21との間に配置されている。図12の例では、ヘリウム濃度ピーク141は、蓄積領域16よりも深い位置に配置されているが、ヘリウム濃度ピーク141は、蓄積領域16と同じ深さに配置されていてよく、ベース領域14と同じ深さに配置されていてよく、エミッタ領域12と同じ深さに配置されていてもよい。なお、蓄積領域16は、図12の点線で示すように、ダイオード部80にも形成されてよい。
通過領域106は、半導体基板10の下面23から、ヘリウム濃度ピーク141までの範囲に形成される。各図においては、ヘリウム濃度ピーク141と通過領域106とは重なっていないが、通過領域106は、ヘリウム濃度ピーク141の深さまで形成されている。
また本例の通過領域106は、トランジスタ部70、ダイオード部80、境界部72およびエッジ終端構造部90のそれぞれに設けられている。トランジスタ部70、ダイオード部80、境界部72およびエッジ終端構造部90のそれぞれにおいて、通過領域106の深さは同一であってよい。通過領域106は、半導体基板10の上面視における全体に設けられてもよい。本例によれば、半導体基板10の深さ方向のほぼ全体にわたって、ドナー濃度を調整できる。また、半導体基板10の上面視におけるほぼ全体にわたって、ドナー濃度を調整できる。
本例では、通過領域106が形成されない領域が、特にエッジ終端構造部90の上面21に接する部分に設けられる。この通過領域106が形成されない領域は、ドナー濃度がベースドーピング濃度Dbと同じになる部分である。通過領域106が形成されない領域は、ヘリウム濃度ピーク141の深さよりも上面21側となる。つまり、通過領域106が形成されない領域は、ドーピング濃度がほぼベースドーピング濃度Dbとなる領域であってよい。ドーピング濃度がベースドーピング濃度Dbである領域を、ベースドーピング領域180とする。本例では、ベースドーピング領域180は、上面21に接してウェル領域11より浅い部分に設けられる。
図13は、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例の通過領域106は、図12における通過領域106に対して、深さ方向における幅が異なる。上面視における配置は、図12における通過領域106と同一である。
本例のヘリウム濃度ピーク141は、ゲートトレンチ部40の底部と、半導体基板10の下面23との間に配置されている。半導体基板10の深さ方向における厚みをT1、ヘリウム濃度ピーク141と半導体基板10の下面23との距離をT2とする。距離T2は、通過領域106の深さ方向における厚みに対応する。距離T2は、厚みT1の40%以上、60%以下であってよい。つまり、通過領域106は、半導体基板10の下面23から、半導体基板10の深さ方向におけるほぼ中央まで設けられていてよい。ただし、距離T2は適宜変更できる。
上述のようにベースドーピング領域180は、ヘリウム濃度ピーク141よりも上面21側に設けられる。本例のベースドーピング領域180は、トレンチ部の底面からヘリウム濃度ピーク141までの領域であり、およそT1-T2の深さを有する。上面視では、本例のベースドーピング領域180は半導体基板10の全面に設けられる。
図14は、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例の通過領域106は、図12における通過領域106に対して、上面視における配置が異なる。深さ方向における配置は、図12における通過領域106と同一であってよい。
本例では、上面視におけるエッジ終端構造部90の少なくとも一部の領域には、通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていない。図14では、上面視におけるエッジ終端構造部90の全体に、通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていない例を示している。他の例では、エッジ終端構造部90のうち、活性部120に近い側の端部には、通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていてもよい。つまり、半導体基板10の外周端140と接する領域には、通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていない。本例では、外周端140の近傍には、ヘリウム濃度ピーク141が設けられないので、外周端140の近傍に欠陥が形成されるのを抑制できる。このため、外周端140におけるリークの増大を抑制できる。
すなわち、本例のベースドーピング領域180は、半導体基板10の外周端140と接する領域に設けられる。本例のベースドーピング領域180は、上面視で、エッジ終端構造部90の少なくとも一部の領域に設けられる。さらにベースドーピング領域180は、上面視で、エッジ終端構造部90の全体と、境界部72に設けられてよい。
なお境界部72の通過領域106の配置は、エッジ終端構造部90と同一であってよく、トランジスタ部70と同一であってよく、ダイオード部80と同一であってもよい。図14では、境界部72に通過領域106を設けていない例を示している。
図15は、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例の通過領域106は、深さ方向における配置が、図13に示した通過領域106と同一であり、上面視における配置が、図14に示した通過領域106と同一である。つまり、エッジ終端構造部90には通過領域106が設けられていない。また、トランジスタ部70およびダイオード部80には、半導体基板10の下面23から、半導体基板10の深さ方向の中央近傍まで、通過領域106が設けられている。
本例のベースドーピング領域180は、境界部72とエッジ終端構造部90において、上面21からバッファ領域20まで形成される。また、活性部においては、ヘリウム濃度ピーク141より上面21側のドリフト領域18に、ベースドーピング領域180が形成される。ヘリウム濃度ピーク141よりも上面21側では、本例のベースドーピング領域180は、上面視で、半導体基板10の全面に設けられる。
図16Aは、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例においては、上面視におけるダイオード部80の少なくとも一部に通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていない点で、図12から図15における例と相違する。他の構造は、図12から図15において説明した例と同一である。
図16Aでは、上面視におけるダイオード部80の全体に通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていない例を示している。すなわち、ベースドーピング領域180を、上面視でダイオード部80の全体に設けている。また、境界部72とエッジ終端構造部90の全体にも、ベースドーピング領域180を設けている。他の例では、ダイオード部80のうち、トランジスタ部70と接する端部には、通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141が設けられていてもよい。トランジスタ部70とダイオード部80とで、通過領域106の配置を異ならせることで、ダイオード部80とトランジスタ部70のドーピング濃度の分布を適宜異ならせることができる。
図16Bは、通過領域106の他の配置例を示す図である。図16Bは、活性部において、通過領域106とベースドーピング領域180を、図16Aと逆に形成した構成である。ダイオード部80に通過領域106を形成することで、逆回復時の空間電荷領域の拡張を抑制し、逆回復時の波形振動を抑える。一方、トランジスタ部70をベースドーピング領域180とすることで、例えば短絡発生時に空間電荷領域の拡張を促して正孔の注入を促進させ、短絡破壊を抑制する。
図17Aは、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例の通過領域106は、深さ方向における配置が、図13に示した通過領域106と同一であり、上面視における配置が、図16Aに示した通過領域106と同一である。つまり、ダイオード部80には通過領域106が設けられていない。トランジスタ部70には、半導体基板10の下面23から、半導体基板10の深さ方向の中央近傍まで、通過領域106が設けられている。また、図17Aの例においては、ヘリウム濃度ピーク141をトレンチ部底面から下面23側へ後退させ、ヘリウム濃度ピーク141よりも上面21側でベースドーピング領域180を上面視の全面に形成している。
図17Bは、通過領域106の他の配置例を示す図である。図17Bの例は、活性部において、通過領域106とベースドーピング領域180を、図17Aと逆に形成した構成である。図17Bの例においても、図16Bと同様の効果を奏する。
図14から図17Bにおいて説明した通過領域106を形成するには、後述する第2注入段階S1902において、ヘリウムイオンの注入を上面視で選択的に行う。例えば、図14から図17Bに示したフォトレジスト膜200を用いて、選択的なヘリウムイオン注入を行うことができる。
この場合、第2注入段階S1902の前に、半導体基板10の下面23の一部に、所定の厚みのフォトレジスト膜200を選択的に形成する。フォトレジスト膜200の厚みは、ヘリウムイオンを遮蔽できる厚みである。
フォトレジスト膜200を形成した後、第2注入段階S1902を行う。フォトレジスト膜200を形成した領域は、フォトレジスト膜200によりヘリウムイオンが遮蔽される。このため、フォトレジスト膜200で覆われた半導体基板10の領域にはヘリウムイオンが侵入しない。フォトレジスト膜200を形成していない領域は、加速エネルギーに応じて、第2の深さ位置Z2にヘリウムイオンが注入される。なお、図14、図15、図16A、図16B、図17Aおよび図17Bの各例において、フォトレジスト膜200は、半導体基板10の下面23に接して形成される。フォトレジスト膜200を形成する段階においては、下面23にコレクタ電極54が設けられていない。
図17Cは、ヘリウムイオンを半導体基板10に侵入させないための、フォトレジスト膜200の最小膜厚Mを説明する図である。図17Cは、ヘリウムイオンの飛程Rpに対する、膜厚Mを示している。
本例のヘリウムイオンは、フォトレジスト膜200以外のアブソーバーを介さずに、加速器から半導体基板10に注入されてよい。ヘリウムイオンの飛程Rpは、加速器における加速エネルギーによって一義的に定まる。
また、ヘリウムイオンを遮蔽できるフォトレジスト膜200の最小膜厚Mは、ヘリウムイオンの加速エネルギーによって定まる。このため、フォトレジスト膜200の最小膜厚Mは、ヘリウムイオンの飛程Rpであらわすことができる。図17Cは、ヘリウムイオンの飛程Rpと、膜厚Mとの関係を3点計測し、直線で近似した図である。膜厚M(μm)と飛程Rp(μm)との関係は、下式で表すことができる。
M=1.76×Rp+12.32
フォトレジスト膜200の厚みは、上式で示される最小膜厚Mと同一か、より大きいことが好ましい。
M=1.76×Rp+12.32
フォトレジスト膜200の厚みは、上式で示される最小膜厚Mと同一か、より大きいことが好ましい。
他の例として、ヘリウムイオンは、フォトレジスト膜200以外のアブソーバーを介して、加速器から半導体基板10に注入されてもよい。ヘリウムイオンの飛程Rpは、加速器における加速エネルギーと、ヘリウムイオンの注入方向に沿ったアブソーバーの厚さによって定まる。
図18Aは、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例では、エッジ終端構造部90に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T5は、活性部120(本例ではダイオード部80)に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T4よりも短い。
ダイオード部80においては、ヘリウム濃度ピーク141は、ダミートレンチ部30の底部と、半導体基板10の上面21との間に配置されていてよい。エッジ終端構造部90においては、ヘリウム濃度ピーク141は、ガードリング92と、半導体基板10の下面23との間に配置されていてよい。エッジ終端構造部90における通過領域106の幅T5は、半導体基板10の厚さTの半分より大きくてよい。
また、トランジスタ部70に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T3は、ダイオード部80に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T4よりも短くてよい。すなわち、トランジスタ部70においては、ベースドーピング領域180が、トレンチ部深さよりも深く形成される。つまりトランジスタ部70のヘリウム濃度ピーク141は、トレンチ部の底面よりも下面23側に位置する。トランジスタ部70においては、ヘリウム濃度ピーク141は、ゲートトレンチ部40の底部と、半導体基板10の下面23との間に配置されていてよい。幅T3は、幅T5と同一であってよく、幅T5より大きくてよく、幅T5より小さくてもよい。トランジスタ部70における通過領域106の幅T3は、半導体基板10の厚さTの半分より大きくてよい。これにより、トランジスタ部70においてチャネルが形成されるベース領域14と、ヘリウム濃度ピーク141とを離して配置できる。このため、チャネル近傍における欠陥の増大を抑制できる。
境界部72における通過領域106は、エッジ終端構造部90における通過領域106と同一の構造を有してよく、トランジスタ部70における通過領域106と同一の構造を有してよく、ダイオード部80における通過領域106と同一の構造を有してもよい。また、図18Aの例において、トランジスタ部70に通過領域106が設けられていなくてもよい。ダイオード部80に通過領域106が設けられていなくてもよい。エッジ終端構造部90に通過領域106が設けられていなくてもよい。境界部72に通過領域106が設けられていなくてもよい。
図18Bは、通過領域106の他の配置例を示す図である。本例では、エッジ終端構造部90に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T5は、活性部120(本例ではトランジスタ部70)に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T3よりも短い。
トランジスタ部70においては、ヘリウム濃度ピーク141は、ゲートトレンチ部40の底部と、半導体基板10の上面21との間に配置されていてよい。エッジ終端構造部90における通過領域106およびヘリウム濃度ピーク141の構造は、図18Aの例と同様である。
ダイオード部80に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T4は、トランジスタ部70に設けられた通過領域106の深さ方向における幅T3よりも短くてよい。すなわち、ダイオード部80においては、ベースドーピング領域180が、トレンチ部深さよりも深く形成される。つまりダイオード部80のヘリウム濃度ピーク141は、トレンチ部の底面よりも下面23側に位置する。ダイオード部80においては、ヘリウム濃度ピーク141は、ダミートレンチ部30の底部と、半導体基板10の下面23との間に配置されていてよい。幅T4は、幅T5と同一であってよく、幅T5より大きくてよく、幅T5より小さくてもよい。ダイオード部80における通過領域106の幅T4は、半導体基板10の厚さTの半分より大きくてよい。
境界部72における通過領域106は、エッジ終端構造部90における通過領域106と同一の構造を有してよく、トランジスタ部70における通過領域106と同一の構造を有してよく、ダイオード部80における通過領域106と同一の構造を有してもよい。また、図18Bの例において、トランジスタ部70に通過領域106が設けられていなくてもよい。ダイオード部80に通過領域106が設けられていなくてもよい。エッジ終端構造部90に通過領域106が設けられていなくてもよい。境界部72に通過領域106が設けられていなくてもよい。
図12から図18Bに示したように、通過領域106の構造を調整することで、トランジスタ部70、ダイオード部80およびエッジ終端構造部90におけるドナー濃度分布を容易に調整できる。通過領域106の構造は、図12から図18Bに示した例に限定されない。
図19は、半導体装置100の製造方法において、通過領域106を形成する工程を示す図である。通過領域106を形成する場合、第1注入段階S1900において、半導体基板10の下面23から第1の深さZ1に水素イオンを注入する。また、第2注入段階S1902において、半導体基板10の下面23から第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入することで通過領域106を形成する。第1注入段階S1900および第2注入段階S1902は、いずれを先に行ってもよい。
なお、第1注入段階S1900を先に行う場合において、第1注入段階S1900と第2注入段階S1902との間に熱処理を行うと、通過領域106のドナー濃度を高めることができない場合がある。つまり、通過領域106を形成する前に熱処理を行うと、第1注入段階S1900で注入した水素が通過領域106の結晶欠陥と結合できずに、半導体基板10の外部に抜けてしまう場合がある。このため、第1注入段階S1900と第2注入段階S1902との間では、熱処理を行わないことが好ましい。熱処理は、例えば300℃以上で半導体基板10を加熱する処理である。
第1注入段階S1900および第2注入段階S1902の後に、拡散段階S1904を行う。拡散段階S1904においては、半導体基板10を熱処理して、第1の深さZ1に注入された水素を通過領域106に拡散させる。拡散段階S1904においては、半導体基板10を300℃以上に加熱してよい。加熱温度は、350℃以上であってもよい。拡散段階S1904においては、半導体基板10を1時間以上加熱してよく、3時間以上加熱してもよい。
拡散段階S1904において水素を拡散させることで、通過領域106における結晶欠陥と水素とが結合してドナー化する。これにより、通過領域106におけるドナー濃度を高めることができる。拡散段階S1904においては、通過領域106のドナー濃度の最小値が、第1注入段階S1900および第2注入段階S1902の前の半導体基板10のドナー濃度(ベースドーピング濃度)よりも高くなることが好ましい。つまり、通過領域106の全体において、ドナー濃度がベースドーピング濃度よりも高くなることが好ましい。
通過領域106の全体におけるドナー濃度を高めるには、第1の深さ位置Z1に注入した水素が、第2の深さ位置Z2の近傍まで拡散することが好ましい。第1注入段階S1900において、第1の深さ位置Z1に注入する水素のドーズ量を調整することで、第2の深さ位置Z2の近傍まで、十分な水素を拡散させることができる。第1注入段階S1900においては、通過領域106のドナー濃度の最小値が、ベースドーピング濃度よりも高くなるように、水素のドーズ量を定めることが好ましい。
第1注入段階S1900で、ヘリウムイオンの停止領域(飛程Rp)の近傍に、水素イオンを注入してもよい。第1注入段階の水素イオン注入は、第2注入段階S1902のヘリウムイオン注入の前に行ってよいし、後に行ってもよい。ヘリウムイオンの停止領域近傍には、イオン注入ダメージ(ディスオーダー)も局在する。ディスオーダーにはダングリングボンドが多く存在する。第1注入段階S1900で、ヘリウムイオンの停止領域の近傍に水素イオンも注入することで、ディスオーダーのダングリングボンドを水素が終端し、ディスオーダーを低減できる。
バッファ領域20に、図9等に示す複数の水素ドナーのピーク24を形成する場合、第1注入段階S1900における水素イオン注入の他に、水素イオン注入を複数回行ってよい。ピーク24を形成するための複数の水素イオン注入は、第1注入段階S1900で行ってよい。つまり、第1注入段階S1900を複数回行ってよい。
図20から図26は、第1の深さZ1に注入する水素イオンのドーズ量(第1ドーズ量と称する)を決定する方法を説明する図である。本例の第1注入段階S1900では、半導体基板10における水素の拡散係数と、第2の深さZ2の位置(つまり、第1の深さ位置Z1に注入した水素が拡散すべき距離)から定まる最小ドーズ量以上のドーズ量で、水素を注入する。
図20は、拡散段階S1904の後の半導体基板10における、キャリア濃度分布の一例を示す図である。図20のキャリア濃度分布は、例えば拡がり抵抗測定(Spread Resistance Profiling)により取得できる。図20から図26の各図において、半導体基板10の下面23を、深さ(μm)の基準位置(0μm)とする。また、第1の深さZ1は、10μm以下である。第1の深さZ1を0μmとして扱ってもよい。
図20においては、5種類の半導体基板10のキャリア濃度分布を示している。第1の例161、第2の例162および第3の例163は、第1の深さZ1に水素イオンを注入し、第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入した例である。第4の例164および第5の例165は、第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入し、第1の深さZ1には水素を注入していない例である。各例において、第2の深さZ2へのヘリウムイオンのドーズ量(第2のドーズ量と称する)を1×1013/cm2とした。また、第2の深さZ2へのヘリウムイオンの飛程を100μm、加速エネルギーを4.0Mevとした。ヘリウムイオンの飛程は、加速エネルギーによって調整してもよいし、アルミニウムアブソーバー等で調整してもよい。
第1の例161、第2の例162および第3の例163においては、第1の深さZ1への水素イオンの加速エネルギーを400keVとした。第1の例161においては、第1のドーズ量を1×1015/cm2とした。第2の例162においては、第1のドーズ量を3×1014/cm2とした。第3の例163においては、第1のドーズ量を1×1014/cm2とした。
水素イオンを注入した後、各例の半導体基板10を、同一のアニール炉で、370℃、5時間アニールした。ただし、第5の例165はアニールしていない。図20は、アニール後のキャリア濃度分布である。各例においてアニール前は、通過領域106(半導体基板10の下面23から第2の深さ位置Z2までの範囲)に結晶欠陥が形成される。このため、通過領域106のキャリア濃度は低下する。
アニール後においては、水素が結晶欠陥と結合してドナー化することで、キャリア濃度が上昇する。ただし、第4の例164においては、第1の深さZ1に水素を注入していないので、キャリア濃度がほとんど上昇しない。第1の例161、第2の例162および第3の例163に示すように、第1のドーズ量が増加するほど、通過領域106のキャリア濃度が上昇する。また、第1のドーズ量が増加するほど、第1の深さZ1から遠い領域まで、ベースドーピング濃度よりもドナー濃度が高い領域が広がっている。つまり、第1のドーズ量が増加するほど、第1の深さZ1からの水素拡散が、遠い領域まで到達している。
第1のドーズ量をQ、第1の深さZ1からの水素の拡散深さをx(x1、x2、x3)(cm)、水素の拡散係数をD(cm2/s)、拡散時間をt、半導体基板10のベースドーピング濃度をC0(atoms/cm3)とすると、これらの関係は、下の式(1)であらわされる。
式(1)は、拡散方程式の解から算出する値である。拡散方程式を、水素の総量が一定であるという境界条件で解いたときの解は、ガウス分布となる。得られたガウス分布の解において、濃度C(x、t)がベースドーピング濃度C0と一致するときのxが、式(1)である。
式(1)は、拡散方程式の解から算出する値である。拡散方程式を、水素の総量が一定であるという境界条件で解いたときの解は、ガウス分布となる。得られたガウス分布の解において、濃度C(x、t)がベースドーピング濃度C0と一致するときのxが、式(1)である。
式(1)から、第1の例161、第2の例162、第3の例163における水素の拡散係数Dを数値的に算出できる。各例における拡散深さxは、図20のプロファイル形状から決定してよい。例えば拡散深さxは、第1の深さ位置Z1から、キャリア濃度の谷の部分の最初の変曲点までの距離を用いることができる。また、拡散深さxは、第1の深さ位置Z1から、キャリア濃度がベースドーピング濃度を最初に下回る位置までの距離を用いてもよい。
なお、第2の深さZ2に水素イオンを注入した場合に形成される結晶欠陥は、点欠陥、転位などの様々な欠陥である。特に点欠陥のうち、空孔、複空孔の空孔系欠陥が形成される。この場合、結晶欠陥の濃度は、第2の深さZ2から、イオン注入面(半導体基板10の下面23)に若干近づいた位置にピークを有する。
図21は、水素の拡散係数Dと、第1のドーズ量Qとの関係を示す図である。図21では、図20に示した第1の例161と、第2の例162と、第3の例163のそれぞれをプロットしている。第1のドーズ量Qが増加すると、拡散係数Dは増加している。第1の深さZ1に注入された水素は、通過領域106のダングリングボンドを終端しながら、第2の深さZ2に向けて拡散する。第1のドーズ量Qが増加すると、ダングリングボンドが終端された領域を拡散する水素の割合が増えるので、水素が拡散しやすくなっていると考えられる。なお、実験条件等により拡散係数Dの値は変動する。図21に示した拡散係数Dに対して、少なくとも±50%以内の誤差は許容できる。±100%以内の誤差も許容可能である。
図22は、拡散係数Dと、アニール温度Tとの関係を示す図である。図22は、図20および図21において説明した拡散係数を、複数のアニール温度Tについて取得して、アレニウスプロットしたグラフである。本例では、第1のドーズ量を、Q=1×1015/cm2とした。
拡散係数Dは、D=D0exp(-Ea/kBT)であらわされる。D0は定数、Eaは活性化エネルギー、kBはボルツマン定数である。図22のグラフから、D0=0.19095(cm2/s)、Ea=1.204(eV)である。これにより、半導体基板10における水素の拡散係数を算出できる。
図23は、水素の拡散深さと、第1のドーズ量との関係を示す図である。図23においては、図20に示した第1の例161、第2の例162、第3の例163を黒丸でプロットしている。
図23に示すように、各プロットを直線で結ぶことで、それぞれの拡散深さxに対する第1のドーズ量を決定できる。つまり、当該直線が、それぞれの拡散深さxに対する、最小の第1のドーズ量を示している。第1注入段階S1900において、当該直線より大きい第1のドーズ量を設定することで、通過領域106の全体のドナー濃度をベースドーピング濃度より大きくできる。一例として、第1のドーズ量Q(ions/cm2)は、第2の深さZ2を拡散深さx(μm)とした場合に、下式を満たしてよい。
Q≧1.6491×1013×e0.061619x
Q≧1.6491×1013×e0.061619x
上述したように、第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入したときの結晶欠陥濃度のピークは、第2の深さZ2よりも若干浅い位置に設けられる。図23の横軸は、結晶欠陥濃度のピーク位置に対応している。このため、図23の横軸に対応する長さX0の通過領域106を形成する場合には、イオン注入におけるストラグリングΔRpを考慮して、下式の飛程Rpで、第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入する。
Rp≧X0+ΔRp
半導体基板10の上面21に設けられたトレンチ部の底部よりも、上面21に近い位置に、結晶欠陥の濃度ピーク位置(下面23から長さX0の位置)を設定することで、半導体基板10の深さ方向のほぼ全体に、通過領域106を形成できる。
Rp≧X0+ΔRp
半導体基板10の上面21に設けられたトレンチ部の底部よりも、上面21に近い位置に、結晶欠陥の濃度ピーク位置(下面23から長さX0の位置)を設定することで、半導体基板10の深さ方向のほぼ全体に、通過領域106を形成できる。
なお、式(1)を変形した下の式(2)に基づいて、最小ドーズ量を算出してもよい。
拡散係数Dは、図22において説明した方法で算出する。図23には、式(2)から算出した最小ドーズ量を、白丸でプロットしている。なお、拡散係数Dは、距離の2乗の次元を有しているので、拡散係数Dを水素の拡散深さxの関数であらわしてもよい。
図24は、拡散係数Dと拡散深さxの関係を示す図である。図24においては、図20における第1の例161、第2の例162、第3の例163をプロットしている。図24に示すように、拡散深さxが増加すると、拡散係数Dも増加する。
拡散深さxが増加すると、第1の深さZ1から、結晶欠陥の濃度ピークまでの距離が増加する。このため、通過領域106のうち、結晶欠陥が比較的に少ない領域の割合が増大する。結晶欠陥が少ないと拡散係数は大きくなるので、拡散深さxが増加すると、通過領域106の平均的な拡散係数も大きくなる。
なお、図20から図24においては、第2のドーズ量を1×1013/cm2としている。ただし、第2のドーズ量を変更しても、同様の方法で第1のドーズ量の最小ドーズ量を決定できる。また、第2のドーズ量を調整することで、通過領域106のドナー濃度を調整してもよい。第2のドーズ量を調整することで、通過領域106に形成される結晶欠陥の濃度を調整できる。また、アニール温度は370℃としていたが、アニール温度を変更しても、式(2)から最小ドーズ量を決定できる。
図25は、アニール温度毎の、最小ドーズ量を規定する直線を示す図である。本例では、拡散深さによらず、拡散係数Dは一定とした。第1の注入工程S1900においては、図25の直線で示される最小ドーズ量より大きいドーズ量で、第1の深さZ1に水素イオンを注入すればよい。
図26は、第2のドーズ量と、第1のドーズ量の最小ドーズ量との関係を示す図である。本例では、拡散深さx毎に、当該関係を示している。第1の注入工程S1900においては、図26の直線で示される最小ドーズ量より大きいドーズ量で、第1の深さZ1に水素イオンを注入すればよい。
図27は、第1の深さZ1の一例を説明する図である。図27においては、半導体基板10の深さ方向におけるドナー濃度分布、水素化学濃度分布およびヘリウム化学濃度分布を示している。水素化学濃度分布およびヘリウム化学濃度分布は、ピークの近傍だけを模式的に示している。図27においては、半導体基板10の上面21の近傍(下面23からの距離が100μm以上の領域)における分布を省略している。また、半導体基板10のN型の領域におけるキャリア濃度分布を、ドナー濃度分布として用いてよい。
本例においては、水素濃度ピーク131の第1の深さZ1が、半導体基板10の下面23から、深さ方向に5μm以下の範囲に含まれている。半導体装置100において、第1の深さZ1以外の構成は、図1から図26において説明したいずれかの態様と同一である。本例の半導体装置100のドナー濃度分布は、図10の例と同様である。
第1の深さZ1を、下面23の近傍に配置することで、第1の深さZ1と、第2の深さZ2との距離を広くできる。このため、半導体基板10のより広い範囲において、ドナー濃度を精度よく調整できる。第1の深さZ1は、下面23から4μm以内の範囲に含まれてよく、3μm以内の範囲に含まれてもよい。
より広い範囲に水素を拡散させるために、第1の深さZ1に注入する水素のドーズ量をより高くすることが好ましい。本例において水素の第1の深さZ1に注入する水素のドーズ量は、1×1015atoms/cm2以上であってよく、1×1016atoms/cm2以上であってよく、1×1017atoms/cm2以上であってよく、1×1018atoms/cm2以上であってもよい。第1の深さZ1には、水素ドナーによる第1のドナー濃度ピーク111が形成されてよい。第1のドナー濃度ピーク111のドナー濃度は、1×1015/cm3以上であってよく、1×1016/cm3以上であってもよい。第1のドナー濃度ピーク111のドナー濃度は、1×1017/cm3以下であってよい。
第1の深さZ1への水素の注入は、プラズマドーピングにより行ってよい。プラズマドーピングにおいては、半導体基板10を収容した収容容器内に、プラズマ励起用のガスと、水素を含む原料ガスを供給する。励起用ガスは、アルゴン等の不活性元素を含んでよい。原料ガスは、フォスフィン(PH3)等を用いてよい。収容容器内においてこれらのガスを用いてプラズマを発生させ、半導体基板10の下面23をプラズマ中に暴露することで、下面23からみて浅い位置に、高濃度の水素を容易に注入できる。また、プラズマドーピングを用いて、下面23近傍の浅い位置に水素を注入することで、半導体基板10における結晶欠陥の発生を抑制できる。また、結晶欠陥が少ないのでアニール温度を低くでき、半導体装置100の製造におけるスループットを向上できる。ただし、第1の深さZ1への水素注入の方法は、プラズマドーピングに限定されない。
ヘリウム濃度ピーク141の第2の深さZ2へのヘリウムの注入は、プラズマドーピング以外の方法で行ってよい。ヘリウムイオンを電界等で加速させて、第2の深さZ2にヘリウムを注入してよい。第2の深さ位置Z2は、下面23から深さ方向に80μm以上離れていてもよい。第2の深さ位置Z2は、下面23から90μm以上離れていてよく、100μm以上離れていてもよい。第1の深さ位置と第2の深さ位置の深さ方向における距離は、半導体基板10の深さ方向の厚みの50%以上であってよく、65%以上であってよく、80%以上であってもよい。
図28は、半導体基板10の深さ方向におけるドナー濃度分布、水素化学濃度分布およびヘリウム化学濃度分布の他の例を示している。水素化学濃度分布およびヘリウム化学濃度分布は、ピークの近傍だけを模式的に示している。本例の第1の深さZ1は、図27の例と同一である。また、第2の深さZ2は、半導体基板10の上面21側に配置されていてよい。上面21側とは、半導体基板10の深さ方向における中央から、上面21までの領域を指す。
図27および図28のいずれの例においても、水素化学濃度分布は、第1の深さZ1と、第2の深さZ2との間に、1つ以上の水素濃度ピーク194を有してよい。水素濃度ピーク194は、図6等において説明したバッファ領域20に配置されてよい。水素濃度ピーク131は、バッファ領域20に配置されてよく、バッファ領域20と、下面23との間に配置されてもよい。
図29は、水素濃度ピーク131の近傍における、水素化学濃度分布と、アルゴン化学濃度分布の一例を示す図である。本例においては、水素濃度ピーク131は、プラズマドーピングにより注入された水素に対応するピークであり、水素濃度ピーク194は、プラズマドーピング以外の方法で注入された水素に対応するピークである。
プラズマドーピングにより第1の深さ位置Z1に水素を注入すると、第1の深さ位置Z1の近傍に、水素以外の不純物が注入される場合がある。例えば、プラズマ励起用にアルゴンガスを用いている場合、第1の深さ位置Z1の近傍にアルゴンが注入される場合がある。図29においては、深さ位置Z0にアルゴン濃度ピーク196を示している。
深さ位置Z0は、下面23と、第1の深さ位置Z1との間に配置されてよい。アルゴンは水素よりも重い元素なので、アルゴン濃度ピーク196は、水素濃度ピーク131よりも浅い位置に形成されやすい。
本例では、第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間には、アルゴン化学濃度のピークが設けられていない。第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間における水素濃度ピーク194は、プラズマドーピング以外の方法で形成されているので、水素濃度ピーク194の近傍には、アルゴンが注入されていない。第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間におけるアルゴン化学濃度は、アルゴン濃度ピーク196よりも小さい。第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間におけるアルゴン化学濃度の最大値は、下面23と第1の深さ位置Z1との間におけるアルゴン化学濃度の最小値以下であってよい。
なお、プラズマドーピングに用いるガスの組成に応じて、半導体基板10には、アルゴンに代えて、他の不純物が注入されていてもよい。プラズマドーピングにPH3ガスを用いた場合、下面23と第1の深さ位置Z1との間には、リン濃度ピークが設けられてよい。プラズマドーピングにBF3ガスを用いた場合、下面23と第1の深さ位置Z1との間には、フッ素濃度ピークが設けられてよく、ボロン濃度ピークが設けられてもよい。アルゴン、リン、フッ素、または、ボロンの濃度ピークの濃度値は、水素濃度ピーク131の濃度値よりも小さくてよい。アルゴン、リン、フッ素、または、ボロンの濃度ピークの濃度値は、水素濃度ピーク131の濃度値の半分以下であってよく、1/10以下であってもよい。
図30は、半導体装置100の他の構造例を示す図である。本例の半導体装置100は、図11に示した例と同様に、トランジスタ部70およびダイオード部80を備える。トランジスタ部70の構造は、図6に示した例と同一である。トランジスタ部70およびダイオード部80は、X軸方向に隣り合って設けられている。
本例のダイオード部80は、トランジスタ部70の構成に対して、ゲートトレンチ部40に代えてダミートレンチ部30を有し、コレクタ領域22に代えてカソード領域82を有し、且つ、エミッタ領域12を有さない点で相違する。他の構造は、トランジスタ部70と同様である。
ダミートレンチ部30は、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、ダミー絶縁膜32およびダミー導電部34を有する。ダミー絶縁膜32およびダミー導電部34は、ゲート絶縁膜42およびゲート導電部44と同一の構造および材料を有してよい。ただし、ゲート導電部44はゲート電極に電気的に接続されるのに対して、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。なお、ダミートレンチ部30は、トランジスタ部70にも設けられてよい。つまり、トランジスタ部70における一部のゲートトレンチ部40が、ダミートレンチ部30に置き換えられていてよい。
カソード領域82は、コレクタ領域22と同様に、半導体基板10の下面23に露出している。カソード領域82は、下面23において、コレクタ電極54と接続されている。カソード領域82は、リン等のN型不純物がドープされたN+型の領域である。カソード領域82とドリフト領域18との間には、バッファ領域20が設けられてよい。
また、ダイオード部80においては、ベース領域14が上面21に露出していてよい。ダイオード部80のベース領域14は、エミッタ電極52に電気的に接続されている。このような構成により、ダイオード部80がダイオードとして機能する。
本例においては、ダイオード部80においても、第1の深さ位置Z1に水素、第2の深さ位置Z2にヘリウムが注入されている。また、ダイオード部80においても、トランジスタ部70と同様の通過領域が形成されている。トランジスタ部70における各濃度分布は、図1から図29において説明したいずれかの態様と同一であってよい。ダイオード部80の深さ方向における水素化学濃度分布は、トランジスタ部70の深さ方向における水素化学濃度分布と同一であってよい。ダイオード部80の深さ方向におけるヘリウム化学濃度分布は、トランジスタ部70の深さ方向におけるヘリウム化学濃度分布と同一であってよい。
図31は、図30のD-D線における、キャリア濃度分布、水素化学濃度分布およびボロン化学濃度分布の一例を示している。D-D線は、トランジスタ部70において、コレクタ領域22と、バッファ領域20の一部とを通過する。本例のコレクタ領域22は、ボロンを注入して形成されている。本例のコレクタ領域22のボロンは、水素濃度ピーク131の水素とは別の工程で注入されている。コレクタ領域22のボロンの少なくとも一部は、水素濃度ピーク131の水素を注入するためのプラズマドーピングにおいて注入されてもよい。
図7等の例においては、水素濃度ピーク131は、バッファ領域20に配置されていた。本例における水素濃度ピーク131は、カソード領域82およびコレクタ領域22に配置されている。カソード領域82およびコレクタ領域22のドーピング濃度は非常に高いので、水素濃度ピーク131をカソード領域82およびコレクタ領域22に設けることで、水素濃度ピーク131によって高濃度の水素ドナーが発生した場合でも、キャリア濃度分布の形状の変動を抑制できる。このため、半導体装置100の特性への影響を抑制しやすくなる。
水素濃度ピーク131の濃度は、第1の深さ位置Z1において、水素ドナー濃度が、キャリア濃度よりも十分小さくなるように設定される。水素の活性化率は1%程度である。第1の深さ位置Z1において、水素化学濃度の1%が、ボロン化学濃度より小さくてよい。
また、コレクタ領域22におけるキャリア濃度分布のピーク位置は、水素濃度ピーク131よりも、ボロン化学濃度のピークの近くに配置される。図31の例において、ボロン化学濃度のピークは、下面23に配置されている。コレクタ領域22におけるキャリア濃度分布のピーク位置は、ボロン化学濃度のピーク位置と同一であってもよい。水素濃度ピーク131は、コレクタ領域22におけるキャリア濃度分布のピークと、バッファ領域20との間に配置されてよい。本例において、コレクタ領域22におけるキャリア濃度分布のピーク位置は、下面23と一致している。なお、バッファ領域20においては、水素濃度ピーク194の深さ位置と、キャリア濃度分布のピーク24の深さ位置とが一致していてよい。
図32は、図30のE-E線における、キャリア濃度分布、水素化学濃度分布およびリン化学濃度分布の一例を示している。E-E線は、ダイオード部80において、カソード領域82と、バッファ領域20の一部とを通過する。本例のカソード領域82は、リンを注入して形成されている。カソード領域82のリンは、水素濃度ピーク131の水素とは別の工程で注入されている。カソード領域82のリンの少なくとも一部は、水素濃度ピーク131の水素を注入するためのプラズマドーピングにおいて注入されてもよい。
本例における水素濃度ピーク131は、カソード領域82およびコレクタ領域22に配置されている。水素濃度ピーク131の濃度は、第1の深さZ1において、水素ドナー濃度が、キャリア濃度よりも十分小さくなるように設定される。水素の活性化率は1%程度である。第1の深さZ1において、水素化学濃度の1%が、リン化学濃度より小さくてよい。
また、カソード領域82におけるキャリア濃度分布のピーク位置は、水素濃度ピーク131よりも、リン化学濃度のピークの近くに配置される。図32の例において、リン化学濃度のピークは、下面23に配置されている。カソード領域82におけるキャリア濃度分布のピーク位置は、リン化学濃度のピーク位置と同一であってもよい。水素濃度ピーク131は、カソード領域82におけるキャリア濃度分布のピークと、バッファ領域20との間に配置されてよい。本例において、カソード領域82におけるキャリア濃度分布のピーク位置は、下面23と一致している。なお、バッファ領域20においては、水素濃度ピーク194の深さ位置と、キャリア濃度分布のピーク24の深さ位置とが一致していてよい。
図33は、半導体装置100の製造方法の一部の工程を示す図である。図33に示す工程の前に、各トレンチ部、エミッタ領域12、ベース領域14、蓄積領域16等の上面21側の構造を形成してよい。
本例では、注入段階S3300において、半導体基板10の下面23から第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入する。注入段階S3300は、図19の例における第2注入段階S1902と同一であってよい。
また、注入段階S3302において、半導体基板10の下面23から第1の深さZ1に水素イオンを注入する。注入段階S3302においては、プラズマドーピングにより、水素イオンを注入する。注入段階S3302における水素のドーズ量は、図19の例の第1注入段階S1900における水素のドーズ量と同一であってよい。注入段階S3300および注入段階S3302は、いずれを先に行ってもよい。
注入段階S3300および注入段階S3302の後に、拡散段階S3304を行う。拡散段階S3304は、図19の例における拡散段階S1904と同様である。拡散段階S3304において水素を拡散させることで、通過領域106における結晶欠陥と水素とが結合してドナー化する。これにより、通過領域106におけるドナー濃度を高めることができる。
拡散段階S3304の後に、研削段階S3306を行う。研削段階S3306では、半導体基板10の下面23側を化学機械研磨(CMP)等により研削する。研削段階S3306では、第1の深さZ1よりも浅い範囲を研削してよく、第1の深さZ1よりも深い範囲を研削してもよい。これにより、水素が高濃度に分布している領域を研削できるので、下面23の近傍における水素量を低減できる。
研削段階S3306の後に、下面側構造形成段階S3308において、コレクタ領域22、カソード領域82およびバッファ領域20等の下面23側の構造を形成する。下面側構造形成段階S3308においては、カソード領域82およびバッファ領域20にドーパントを注入した後に、下面23の近傍をレーザーアニールしてよい。これにより、半導体基板10の下面23の近傍を局所的に高温で熱処理できる。また、レーザーアニール後に、バッファ領域20に水素等のドーパントを注入してよい。バッファ領域20にドーパントを注入した後、半導体基板10の全体をアニール炉により熱処理してよい。
図34は、半導体装置100の製造方法の一部の工程を示す図である。本例の製造方法は、図33の研削段階S3306に代えて、レーザーアニール段階S3307を備える点で相違する。他の工程は、図33の例と同一である。
レーザーアニール段階S3307では、半導体基板10の下面23をレーザーアニールする。レーザーアニール段階S3307においては、第1の深さZ1の近傍にレーザーを照射してよい。これにより、第1の深さZ1の近傍における水素の少なくとも一部を、半導体基板10の外部に放出できる。これにより、第1の深さZ1の近傍における水素化学濃度を低減できる。レーザーアニール段階S3307では、水素濃度ピーク131が残存するようにレーザーを照射してよく、水素濃度ピーク131が残存しないようにレーザーを照射してもよい。なお、レーザーが照射されても、アルゴン等の重い元素は、水素に比べて半導体基板10に残存しやすい。このため、レーザーアニール段階S3307を行っても、半導体基板10には、図29に示したアルゴン等の不純物の濃度ピークが存在する場合がある。
また、レーザーアニール段階S3307においては、トランジスタ部70にレーザーを照射し、ダイオード部80にはレーザーを照射しなくてもよい。ダイオード部80の下面23に高濃度の水素ドナーが残存しても、特性に与える影響は比較的に小さい。この場合、ダイオード部80の第1の深さZ1における水素化学濃度は、トランジスタ部70の第1の深さZ1における水素化学濃度よりも高い。
図19、図33、図34に示した例において、第1の深さZ1へ水素イオンの注入、第2の深さZ2へのヘリウムイオンの注入および熱処理は、下面側構造を形成する前に行ってよく、下面側構造を形成した後に行ってよく、下面側構造を形成している間に行ってもよい。
図35は、下面側構造形成段階において、第1の深さZ1に水素イオンを注入し、第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入する工程の一例を示す。本例においては、第1の深さZ1への水素イオンの注入、第2の深さZ2へのヘリウムイオンの注入および熱処理は、バッファ領域20を形成するバッファ領域形成段階S3504で行う。
下面側構造形成段階は、トレンチ部等の上面側構造形成段階S3500よりも後に行ってよい。下面側構造形成段階は、コレクタ領域形成段階S3502と、バッファ領域形成段階S3504を有する。図35では、下面側構造形成段階の他の段階を省略している。本例では、バッファ領域形成段階S3504において、第1の深さZ1へ水素イオン、第2の深さZ2へヘリウムイオンを注入する。S3504においては、水素イオンを注入した後に半導体基板10を熱処理して水素イオンおよびヘリウムイオンを拡散させる。下面側構造形成段階の後に、コレクタ電極形成段階S3506を行ってよい。
図36は、下面側構造形成段階において、第1の深さZ1に水素イオンを注入し、第2の深さZ2にヘリウムイオンを注入する工程の他の例を示す。本例においては、第1の深さZ1への水素イオンの注入および熱処理は、カソード領域形成段階S3503で行う。また、第2の深さZ2へのヘリウムイオンの注入および熱処理は、バッファ領域形成段階S3506で行う。
下面側構造形成段階は、トレンチ部等の上面側構造形成段階S3500よりも後に行ってよい。本例の下面側構造形成段階は、カソード領域形成段階S3503と、バッファ領域形成段階S3504を有する。図36では、下面側構造形成段階の他の段階を省略している。
本例の半導体装置100は、トランジスタ部70とダイオード部80を備えてよい。この場合、下面23の全体にカソード領域82を形成した後に、P型ドーパントを選択的に注入することで、カソード領域82の一部にP型のコレクタ領域22を形成してよい。カソード領域形成段階S3503においては、リン等のN型ドーパントを含むPH3等の原料ガスを用いてよい。カソード領域形成段階S3503において、下面23の全体に、第1の深さZ1に水素イオンが注入される。
また、下面23にコレクタ領域22を選択的に形成した後に、下面23の全体にN型ドーパントと水素イオンを注入してカソード領域82を形成してもよい。この場合、コレクタ領域22には、導電型がN型に反転しないように、予め高濃度のP型ドーパントが注入されてよい。このような工程により、第1の深さZ1は、コレクタ領域22およびカソード領域82に配置される。
なお、半導体装置100がトランジスタ部70を備えず、ダイオード部80を備える場合、コレクタ領域22を形成する工程は省略できる。また、第2の深さZ2への水素注入は、バッファ領域20を形成する段階で行ってよい。下面側構造形成段階の後に、コレクタ電極形成段階S3506を行ってよい。
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、20・・・バッファ領域、21・・・上面、22・・・コレクタ領域、23・・・下面、24、25・・・ピーク、30・・・ダミートレンチ部、32・・・ダミー絶縁膜、34・・・ダミー導電部、38・・・層間絶縁膜、40・・・ゲートトレンチ部、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・・・コレクタ電極、70・・・トランジスタ部、72・・・境界部、80・・・ダイオード部、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、106・・・通過領域、111・・・第1のドナー濃度ピーク、112、122、132、142、172・・・上りスロープ、113、123、133、143、173・・・下りスロープ、114、124、125、134、144、145・・・傾き、116・・・ゲートパッド、118・・・エミッタパッド、120・・・活性部、121・・・第2のドナー濃度ピーク、131・・・水素濃度ピーク、140・・・外周端、141・・・ヘリウム濃度ピーク、150・・・平坦領域、151・・・谷、161・・・第1の例、162・・・第2の例、163・・・第3の例、164・・・第4の例、165・・・第5の例、171・・・空孔濃度ピーク、174・・・チャネルストッパ、175・・・空孔欠陥濃度分布、180・・・ベースドーピング領域、181・・・ノンドーピング領域、182・・・保護膜、184・・・めっき層、190・・・中間境界領域、192・・・ライフタイム制御領域、194・・・水素濃度ピーク、196・・・アルゴン濃度ピーク、200・・・フォトレジスト膜
Claims (26)
- 上面および下面を有する半導体基板を備える半導体装置であって、
前記半導体基板の前記上面と前記下面とを結ぶ深さ方向において、水素濃度分布が水素濃度ピークを有し、ヘリウム濃度分布がヘリウム濃度ピークを有し、ドナー濃度分布が第1のドナー濃度ピークと第2のドナー濃度ピークを有し、
前記水素濃度ピークと前記第1のドナー濃度ピークは第1の深さに配置されており、前記ヘリウム濃度ピークと前記第2のドナー濃度ピークは、前記下面を基準として前記第1の深さよりも深い第2の深さに配置されており、
それぞれの濃度ピークは、前記下面から前記上面に向かうにつれて濃度値が増大する上りスロープを有し、
前記第2のドナー濃度ピークの前記上りスロープの傾きを、前記ヘリウム濃度ピークの前記上りスロープの傾きで規格化した値が、前記第1のドナー濃度ピークの前記上りスロープの傾きを、前記水素濃度ピークの前記上りスロープの傾きで規格化した値よりも小さい半導体装置。 - それぞれの濃度ピークは、前記下面から前記上面に向かうにつれて濃度値が減少する下りスロープを有し、
前記ヘリウム濃度ピークは、前記上りスロープの傾きが、前記下りスロープの傾きよりも小さい
請求項1に記載の半導体装置。 - それぞれの濃度ピークは、前記下面から前記上面に向かうにつれて濃度値が減少する下りスロープを有し、
前記第2のドナー濃度ピークは、前記上りスロープの傾きが、前記下りスロープの傾きよりも小さい
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1の深さと前記第2の深さとの間における前記ドナー濃度分布は、ドナー濃度がほぼ一定の平坦領域を有し、
前記平坦領域の前記深さ方向における長さが、前記半導体基板の前記深さ方向における厚みの10%以上である
請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記第1の深さと前記第2の深さとの間における前記ドナー濃度分布は、ドナー濃度がほぼ一定の平坦領域を有し、
前記平坦領域の前記深さ方向における長さが10μm以上である
請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記平坦領域のドナー濃度の最小値は、前記半導体基板のドナー濃度よりも高い
請求項4または5に記載の半導体装置。 - 前記第1の深さと前記第2の深さとの間におけるドナー濃度の最小値は、前記半導体基板のドナー濃度よりも高い
請求項6に記載の半導体装置。 - 前記ヘリウム濃度ピークの濃度値が、前記水素濃度ピークの濃度値よりも小さい
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記半導体基板に設けられたN型のドリフト領域と、
前記半導体基板において前記上面に接して設けられ、前記ドリフト領域よりもドナー濃度の高いエミッタ領域と、
前記エミッタ領域と前記ドリフト領域との間に設けられたP型のベース領域と、
前記半導体基板において前記下面に接して設けられたP型のコレクタ領域と、
前記コレクタ領域と前記ドリフト領域との間に設けられ、前記ドリフト領域よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有するN型のバッファ領域と
を更に備え、
前記第1のドナー濃度ピークは、前記バッファ領域の前記ドナー濃度ピークである
請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ベース領域と前記ドリフト領域との間に設けられ、前記ドリフト領域よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有する蓄積領域を更に備え、
前記第2のドナー濃度ピークは、前記蓄積領域の前記ドナー濃度ピークである
請求項9に記載の半導体装置。 - 前記蓄積領域は、前記第2のドナー濃度ピーク以外に、水素以外のドナーによる前記ドナー濃度ピークを有する
請求項10に記載の半導体装置。 - 前記ベース領域と前記ドリフト領域との間に設けられ、前記ドリフト領域よりもドナー濃度の高い1つ以上のドナー濃度ピークを有する蓄積領域を更に備え、
前記第2のドナー濃度ピークは、前記バッファ領域と前記蓄積領域との間に配置されている
請求項9に記載の半導体装置。 - 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更に備え、
前記第2のドナー濃度ピークは、前記ゲートトレンチ部の底部と、前記半導体基板の前記上面との間に配置されている
請求項1から11のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 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視において前記活性部を囲んで設けられたエッジ終端構造部と
を更に備え、
前記半導体基板は、前記ヘリウム濃度ピークの位置に注入されたヘリウムが通過した通過領域を有し、
前記深さ方向において、前記エッジ終端構造部に設けられた前記通過領域は、前記活性部に設けられた前記通過領域よりも短いか、または、前記エッジ終端構造部には前記通過領域が設けられていない
請求項1から13のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記半導体基板に設けられたトランジスタ部およびダイオード部を更に備え、
前記半導体基板は、前記ヘリウム濃度ピークの位置に注入されたヘリウムが通過した通過領域を有し、
前記深さ方向において、前記ダイオード部に設けられた前記通過領域は、前記トランジスタ部に設けられた前記通過領域よりも短いか、または、前記ダイオード部には前記通過領域が設けられていない
請求項1から14のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記半導体基板に設けられたトランジスタ部およびダイオード部を更に備え、
前記半導体基板は、前記ヘリウム濃度ピークの位置に注入されたヘリウムが通過した通過領域を有し、
前記深さ方向において、前記トランジスタ部に設けられた前記通過領域は、前記ダイオード部に設けられた前記通過領域よりも短いか、または、前記トランジスタ部には前記通過領域が設けられていない
請求項1から14のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記第1の深さが、前記下面から前記深さ方向に5μm以下の範囲に含まれている
請求項1から15のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記水素濃度ピークにおけるドナー濃度が、1×1015/cm3以上、1×1017/cm3以下である
請求項17に記載の半導体装置。 - 上面および下面を有する半導体基板を備える半導体装置であって、
前記半導体基板の前記上面と前記下面とを結ぶ深さ方向における水素濃度分布が、前記下面から前記深さ方向に5μm以下の範囲に配置された水素濃度ピークと、前記水素濃度ピークよりも前記上面側に配置されたヘリウム濃度ピークとを有する半導体装置。 - 前記下面と前記水素濃度ピークの間に不純物濃度ピークを有し、前記不純物濃度ピークの不純物はアルゴンまたはフッ素である
請求項19に記載の半導体装置。 - 請求項1から18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、
前記半導体基板の前記下面から前記第1の深さに水素を注入する第1注入段階と、
前記半導体基板の前記下面から前記第2の深さにヘリウムを注入して、前記ヘリウムが通過した通過領域を形成する第2注入段階と、
前記半導体基板を熱処理して、前記第1の深さに注入された水素を、前記通過領域に拡散させる拡散段階と
を備え、
前記拡散段階において熱処理された前記半導体基板において、前記通過領域のドナー濃度の最小値が、前記水素を注入する前の前記半導体基板のドナー濃度よりも高くなるように、前記第1注入段階における水素のドーズ量を定める製造方法。 - 前記第1注入段階では、前記半導体基板における水素の拡散係数と、前記第2の深さから定まる最小ドーズ量以上のドーズ量で、水素を注入する
請求項21に記載の製造方法。 - 前記半導体基板はシリコン基板であり、前記下面からの前記第2の深さをx(μm)とした場合に、前記第1注入段階における水素のドーズ量Q(ions/cm2)が下式を満たす
Q≧1.6491×1013×e0.061619x
請求項21または22に記載の製造方法。 - 前記第1注入段階において、プラズマドーピングにより、前記第1の深さに水素を注入する
請求項21から23のいずれか一項に記載の製造方法。 - 前記プラズマドーピングの後に、前記半導体基板の前記下面を研削する
請求項24に記載の製造方法。 - 前記プラズマドーピングの後に、前記半導体基板の前記下面をレーザーアニールする
請求項24に記載の製造方法。
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