JP2013074181A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高濃度ｎ層とライフタイム制御領域を同時に形成可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ｎ型のドリフト層と、ドリフト層の表面側に設けられたｐ型のボディ層と、ドリフト層の裏面側に設けられており、水素イオンドナーをドーパントとして含んでおり、ドリフト層よりもｎ型の不純物濃度が高い高濃度ｎ層とを備えた半導体基板を有する半導体装置であって、高濃度ｎ層およびドリフト層の一部には、結晶欠陥をライフタイムキラーとして含むライフタイム制御領域が形成されており、半導体基板の厚さ方向について、高濃度ｎ層の水素イオンドナー濃度が最も高いドナーピーク位置は、ライフタイム制御領域の結晶欠陥密度が最も高い欠陥ピーク位置に一致または隣接しており、ライフタイム制御領域の欠陥ピーク位置における結晶欠陥の密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。

半導体装置において、キャリアのライフタイムを制御するために、半導体基板に、局所的に結晶欠陥が形成されている領域（以下、本明細書ではライフタイム制御領域と呼ぶ）が形成されることがある。例えば、特許文献１には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のターンオフ時間の短縮およびターンオフ損失の低減を図る目的で、ＩＧＢＴのドリフト層内またはコレクタ層内にライフタイム制御領域を形成する技術が開示されている。ライフタイム制御領域は、水素イオン、ヘリウムイオン等の軽イオンをＩＧＢＴのドリフト層内またはコレクタ層内に打ち込むことによって形成される。

ＩＧＢＴにおいては、ドリフト層とコレクタ層の間に、バッファ層が形成されている場合がある。バッファ層は、一般に、ドリフト層に不純物イオンを注入することによって形成される。例えば、ドリフト層およびバッファ層がｎ型の場合には、リンイオン、ヒ素イオン等を注入することによって形成される。特許文献１では、ドリフト層、バッファ層等を形成した後の半導体基板に対して、水素イオン、ヘリウムイオン等の軽イオンをＩＧＢＴのドリフト層内に照射し、ライフタイム制御領域を形成している。

また、特許文献２には、ｎ型のドリフト層に、１ＭｅＶ以下の加速エネルギーで水素イオンを照射し、低温でアニール処理を行うことによって、バッファ層を形成する方法が記載されている。特許文献２では、水素イオンの加速エネルギーが低く設定されているため、バッファ層を形成することはできても、ライフタイム制御領域を形成することはできない。

特開平９−１２１０５２号公報 特開２００１−１６０５５９号公報

特許文献１のように、従来、バッファ層等の高濃度のｎ層を製造する工程と、ライフタイム制御領域を形成する工程は、別工程で行われていた。特許文献２では、バッファ層を製造するために水素イオンの照射を行っている。しかしながら、バッファ層を製造するための水素イオンの照射を利用して、ライフタイム制御領域を形成することは、記載も示唆もされていない。特許文献２のように、１ＭｅＶ以下の加速エネルギーで水素イオンを照射した場合には、結晶欠陥が残存したとしても、その密度が低いため、ライフタイムキラーとして十分に機能せず、半導体装置の特性改善に寄与できない。

本発明者らは、ライフタイム制御領域の結晶欠陥ピーク位置における結晶欠陥の密度が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である場合に、半導体装置のスイッチング特性の改善に寄与できることを見出した。また、２ＭｅＶ以上の加速エネルギーで半導体基板に水素イオンを照射した後で、水素イオンをドナー化すると、欠陥ピーク位置における結晶欠陥の密度が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であるライフタイム制御領域が半導体基板内に形成されることを見出した。

本願が開示する半導体装置は、ｎ型のドリフト層と、ドリフト層の表面側に設けられたｐ型のボディ層と、ドリフト層の裏面側に設けられており、水素イオンドナーをドーパントとして含んでおり、ドリフト層よりもｎ型の不純物濃度が高い高濃度ｎ層とを備えている。高濃度ｎ層およびドリフト層の一部には、結晶欠陥をライフタイムキラーとして含むライフタイム制御領域が形成されている。半導体基板の厚さ方向について、高濃度ｎ層の水素イオンドナー濃度が最も高いドナーピーク位置は、ライフタイム制御領域の結晶欠陥密度が最も高い欠陥ピーク位置に一致している。ライフタイム制御領域の欠陥ピーク位置における結晶欠陥の密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。

上記の半導体装置では、ライフタイム制御領域の結晶欠陥は、高濃度ｎ層を形成する際に照射される水素イオンによって形成される。このため、半導体基板の厚さ方向について、高濃度ｎ層の水素イオンドナー濃度が最も高いドナーピーク位置は、ライフタイム制御領域の結晶欠陥密度が最も高い欠陥ピーク位置に一致または隣接している。また、ライフタイム制御領域の欠陥ピーク位置における結晶欠陥の密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、半導体装置の特性を改善可能な結晶欠陥密度の分布を有している。上記の半導体装置によれば、高濃度のｎ層を製造する工程を利用して、半導体装置の特性改善に効果的なライフタイム制御領域を形成することができる。

高濃度ｎ層の半導体基板の厚さ方向の幅は、２μｍ以上かつ７０μｍ以下であることが好ましい。

また、本願は、ｎ型のドリフト層と、ドリフト層の表面側に設けられたｐ型のボディ層と、ドリフト層の裏面側に設けられており、ドリフト層よりもｎ型の不純物濃度が高い高濃度ｎ層とを備えた半導体基板を有する半導体装置の製造方法を開示する。この製造方法は、ドリフト層を備えた半導体基板を準備する準備工程と、半導体基板のコレクタ層側となる面からドリフト層のコレクタ層側の領域に、２ＭｅＶ以上の加速エネルギーで水素イオンを照射して、結晶欠陥を形成する照射工程と、照射工程で照射した水素イオンを活性化して高濃度ｎ層を形成するとともに、照射工程で形成した結晶欠陥の少なくとも一部を半導体基板内に残存させる活性化工程とを含む。

照射工程では、ドリフト層に、２ＭｅＶ以上かつ２０ＭｅＶ以下の加速エネルギーで水素イオンを照射することが好ましい。照射工程では、ドリフト層の裏面側から水素イオンを照射してもよく、ドリフト層の表面側から水素イオンを照射してもよい。活性化工程では、半導体基板を２００℃以上かつ５００℃以下の基板温度でアニール処理することが好ましい。

実施例１の半導体装置の断面図である。 結晶欠陥形成確率と、水素イオンを照射する加速エネルギーとの関係を示す図である。 水素イオンのドナー化率と、欠陥密度／水素イオン濃度との関係を示す図である。 スイッチング損失と、水素イオンを照射する加速エネルギーとの関係を示す図である。 水素イオンドナーの濃度分布の半値幅と、水素イオンを照射する加速エネルギーとの関係を示す図である。 シミュレーションに用いたダイオードを示す図である。 図６に示すダイオードのエネルギー準位図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を示す図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を示す図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を示す図である。 照射工程で照射される水素イオンによって形成される結晶欠陥量の半導体基板の厚さ方向の分布を示す図である。 実施例１の半導体装置の結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布を示す図である。 実施例１および従来例に係る半導体装置のターンオフ時の電流値および電圧値を示す図である。 実施例１の半導体装置の水素イオンドナー濃度分布と、ターンオフ時の電解強度を示す図である。 実施例１の半導体装置のキャリア濃度分布と、キャリアのライフタイムの分布を示す図である。 半導体装置のスナップバック現象を説明する図である。 半導体装置のＣＥ間耐電圧と傷深さの関係を示す図である。 変形例に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 変形例の半導体装置の結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布を示す図である。 変形例に係る半導体装置の断面図である。 実施例２に係る半導体装置の断面図である。 実施例２の半導体装置の結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布を示す図である。 実施例２の半導体装置の結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布を示す図である。 実施例２および従来例に係る半導体装置のダイオード逆回復時の電流値および電圧値を示す図である。

本願が開示する半導体装置は、ｎ型のドリフト層と、ドリフト層の表面側に設けられたｐ型のボディ層と、ドリフト層の裏面側に設けられており、ドリフト層よりもｎ型の不純物濃度が高い高濃度ｎ層を有する半導体素子を備えた半導体装置に適用できる。特に限定されないが、例えば、ダイオード、バッファ層を備えたＩＧＢＴ、またはＩＧＢＴと還流ダイオードが同一半導体基板に形成されたＲＣ−ＩＧＢＴであってもよい。

半導体装置がダイオードである場合には、高濃度ｎ層とボディ層は、それぞれダイオードのカソード、アノードとして機能する。

半導体装置がＩＧＢＴである場合には、高濃度ｎ層は、バッファ層である。半導体基板の裏面（バッファ層の裏面側）にｐ型のコレクタ層が形成されている。ボディ層の表面の一部にｎ型のエミッタ層が形成されている。ボディ層およびエミッタ層は半導体基板の表面に露出している。半導体基板の表面側に、エミッタ層とドリフト層とを隔離する部分のボディ層に接する絶縁ゲートが形成されている。ＩＧＢＴは、フィールドストップ（ＦＳ）型ＩＧＢＴであってもよく、パンチスルー（ＰＴ）型ＩＧＢＴであってもよい。

半導体装置が、ＩＧＢＴと還流ダイオードが同一半導体基板に形成されたＲＣ−ＩＧＢＴである場合には、半導体基板の裏面（ドリフト層の裏面側）にコレクタ層またはカソード層が形成されている。コレクタ層とドリフト層との間、もしくは、カソード層とドリフト層との間にバッファ層が形成されている場合がある。バッファ層、カソード層が、高濃度ｎ層に相当する。半導体基板の表面（ドリフト層の表面側）にボディ層が形成されている。ボディ層の表面の一部にエミッタ層が形成されている。ボディ層およびエミッタ層は半導体基板の表面に露出している。半導体基板の表面側に、エミッタ層とドリフト層とを隔離する部分のボディ層に接するゲート電極が形成されている。ＲＣ−ＩＧＢＴは、ダイオード素子が形成されているダイオード領域とＩＧＢＴ素子が形成されているＩＧＢＴ領域が分離されている半導体装置であってもよい。また、半導体基板の表面側の構造が共通しており、裏面側の構造がコレクタ層またはカソード層であって、ダイオード素子とＩＧＢＴ素子が混在している半導体装置であってもよい。

本願が開示する半導体装置の製造方法は、本願が開示する製造方法は、高濃度ｎ層および結晶欠陥を形成する工程として、準備工程、照射工程、活性化工程を含む。準備工程では、ドリフト層を備えた半導体基板を準備する。照射工程では、半導体基板に水素イオンを照射して、結晶欠陥を形成する。活性化工程では、照射工程で照射した水素イオンを活性化して高濃度ｎ層を形成するとともに、照射工程で形成した結晶欠陥の少なくとも一部を半導体基板内（例えば、高濃度ｎ層とドリフト層の一部）に残存させる。準備工程、照射工程、活性化工程は、この順序で行われ、各工程の間に別の工程（例えば、ウェハを洗浄する工程やイオン注入する工程）が行われてもよい。

（半導体装置）
図１に示す半導体装置１０は、高濃度ｎ層としてバッファ層１０２を備えたＩＧＢＴである。半導体装置１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００の表面に設けられたエミッタ電極１２１と、半導体基板１００の裏面に設けられたコレクタ電極１２２とを備えている。半導体基板１００には、ＩＧＢＴが形成されている。半導体基板１００は、半導体基板１００の裏面側から順に設けられたｐ型のコレクタ層１０１と、ｎ型のバッファ層１０２と、ｎ型のドリフト層１０３と、ｐ型のボディ層１０４と、ｎ型のエミッタ層１０５およびｐ型のボディコンタクト層１０６を備えている。エミッタ層１０５およびボディコンタクト層１０６は、ボディ層１０４によってドリフト層１０３と隔離されている。半導体基板１００は、さらに、エミッタ層１０５とドリフト層１０３との間に位置するボディ層１０４に接する絶縁ゲート１１０を備えている。絶縁ゲート１１０は、トレンチ１１１と、トレンチ１１１の内壁に形成されている絶縁膜１１２と、絶縁膜１１２に覆われてトレンチ１１１内に形成されているゲート電極１１３とを備えている。

コレクタ層１０１、ボディコンタクト層１０６は、ボディ層１０４よりもｐ型の不純物濃度が高い。バッファ層１０２は、ドリフト層１０３とコレクタ層１０１の間に設けられており、ドリフト層１０３よりもｎ型の不純物濃度が高い。バッファ層１０２は、水素イオンドナーを含んでいる。バッファ層１０２およびドリフト層１０３には、結晶欠陥の密度が高いライフタイム制御領域２が形成されている。バッファ層１０２の水素イオンドナー濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることが好ましい。ライフタイム制御領域２は、バッファ層１０２内全体、およびドリフト層１０３のバッファ層側の一部に形成されている。ライフタイム制御領域２は、ドリフト層１０３内に含まれる領域２ａと、バッファ層１０２に含まれる領域２ｂを有している。ライフタイム制御領域２の半導体基板１００の厚さ方向の幅は、バッファ層１０２の半導体基板１００の厚さ方向の幅（バッファ層１０２の厚さに相当する）よりも大きい。ライフタイム制御領域２の結晶欠陥密度の平均は、ドリフト層１０３のライフタイム制御領域２に含まれない部分の結晶欠陥密度と比べてきわめて高い。ライフタイム制御領域２内には、結晶欠陥密度のピークが含まれている。ライフタイム制御領域２の結晶欠陥ピーク濃度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、これによって、ライフタイム制御領域２が半導体装置１０の特性（例えば、スイッチング損失の低減）を改善する効果を十分に発揮することができる。ライフタイム制御領域２の結晶欠陥密度および結晶欠陥量は、ライフタイム制御領域２でのキャリア（少数キャリアである正孔）のライフタイムが、ライフタイム制御領域２に含まれない部分のドリフト層１０３でのキャリアのライフタイムの１／１０００以上かつ１／１０以下となる範囲で調整されている。また、バッファ層１０２の半導体基板１００の厚さ方向の幅Ｄは、２μｍ以上かつ７０μｍ以下が好ましい。

（半導体装置の製造方法）
半導体装置１０の製造方法について、バッファ層１０２およびライフタイム制御領域２を形成する工程を中心に説明する。半導体装置１０が備えるその他の構造は、従来公知の方法によって形成することができるため、説明を省略する。バッファ層１０２およびライフタイム制御領域２を形成する工程は、準備工程、照射工程、活性化工程を含む。準備工程では、ドリフト層１０３を備えた半導体基板を準備する。照射工程では、半導体基板に水素イオンを照射して、結晶欠陥を形成する。活性化工程では、照射工程で照射した水素イオンを活性化する。これによって、バッファ層１０２を形成するとともに、照射工程で形成した結晶欠陥の少なくとも一部をバッファ層１０２層およびドリフト層１０３の一部に残存させる。

照射工程における水素イオンの加速エネルギーについて、より具体的に説明する。照射工程では、半導体基板のドリフト層に、２ＭｅＶ以上の加速エネルギーで水素イオンを照射して、結晶欠陥を形成する。図２に示すように、照射工程で照射する水素イオンの加速エネルギー（図２の横軸に示す）が高くなるほど、結晶欠陥が形成される確率である欠陥形成確率（図２の縦軸に示す）は高くなる。すなわち、水素イオンの加速エネルギーが高くなるほど、結晶欠陥の密度と水素イオン濃度との比である、「欠陥密度／水素イオン濃度」が高くなる。

活性化工程では、照射工程で照射した水素イオンをアニール処理等によって活性化させる。照射された水素イオンと、半導体基板中のシリコン（Ｓｉ）と、水素イオンが照射されることによって形成された結晶欠陥との３者が複合化することによって、水素イオンがドナー化すると推定される。図３に示すように、「欠陥密度／水素イオン濃度（図３の横軸に示す）」が高いほど、水素イオンのドナー化率（図３の縦軸に示す）は高くなる。図２に示すように、照射工程で照射する水素イオンの加速エネルギーが高いほど、「欠陥密度／水素イオン濃度」は高くなるから、加速エネルギーが高いほど、水素イオンドナー化率は高くなる。

また、照射工程で照射する水素イオンの加速エネルギーが高いほど、ライフタイム制御領域２の結晶欠陥のピーク密度が高くなる。ライフタイム制御領域２が半導体装置１０のスイッチング損失を低減させる効果を発揮するためには、ライフタイム制御領域２の結晶欠陥ピーク密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である必要がある。照射工程において、２ＭｅＶの加速エネルギーで水素イオンを照射した場合には、ライフタイム制御領域２の結晶欠陥ピーク密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３になる。図４に示すように、照射する水素イオンの加速エネルギーの値が２ＭｅＶ以上である場合（すなわち、結晶欠陥ピーク密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である場合）には、加速エネルギー（図４の横軸に示す）が高くなるほど、ライフタイム制御領域２によるスイッチング損失（図４の縦軸に示す）を低減させる効果を高くすることができる。一方、照射する水素イオンの加速エネルギーの値を２ＭｅＶ未満とした場合（すなわち、結晶欠陥ピーク濃度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満である場合）では、スイッチング損失を低減させる効果を得ることができない。

また、図５に示すように、照射工程で照射する水素イオンの加速エネルギー（図５の横軸に示す）が高いほど、ドナー化した水素イオン濃度の半値幅（図５の縦軸に示す）が大きくなる。例えば、水素イオンの加速エネルギーが２ＭｅＶ，４ＭｅＶ，８ＭｅＶ，２０ＭｅＶ程度の場合には、ドナー化した水素イオン濃度の半値幅は、それぞれ、２μｍ，７μｍ，２０μｍ，７０μｍ程度となる。すなわち、照射する水素イオンの加速エネルギーが高いほど、水素イオンをドナー化することによって形成されるバッファ層１０２の厚さが大きくなる。このため、バッファ層１０２の厚さを確保するために、通常行われる高温（９００℃程度）でのアニール処理等を行う必要がない。例えば、照射する水素イオンの加速エネルギーの値が２ＭｅＶ以上である場合には、２００〜５００℃程度の基板温度でアニール処理を行うことで、２μｍ以上の厚さのバッファ層１０２を形成することができる。

図６〜図９は、ダイオード素子が形成された半導体装置についてシミュレーションを行った結果を示す図である。シミュレーションには、図６に示すように、ｐ型半導体層４１とｎ型半導体層４２を有する半導体基板を備えており、領域４３に結晶欠陥が形成されているダイオード４０を用いた。図７は、ダイオード４０のバンドギャップ構造を示している。伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖとの間の禁止帯中にフェルミ準位Ｅｉが位置している。図７の破線に示すように、結晶欠陥の準位４は、フェルミ準位よりやや高い。シミュレーションでは、結晶欠陥ピーク密度を変えて、ダイオード４０の結晶欠陥ピーク密度とスイッチング特性の関係を調べた。その結果を図８に示す。図８に示す各プロット点は、それぞれダイオード４０の結晶欠陥ピーク密度が１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の場合を示している。図８に示すように、ダイオード４０の結晶欠陥ピーク密度が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上となると、結晶欠陥ピーク密度が減少するに従って、ダイオード４０の逆回復時間ｔｒｒも減少していくことがわかった。また、図９は、照射工程で照射する水素イオンの加速エネルギーと、それによってダイオード４０に形成される半導体装置の結晶欠陥ピーク密度とについてシミュレーションを行った結果を示す。図９に示すように、加速エネルギーが大きくなるほど結晶欠陥ピーク密度が高くなり、加速エネルギーが２ＭｅＶ以上であれば、結晶欠陥ピーク密度を１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上にすることができる。ダイオード４０の逆回復時間ｔｒｒが小さいほど、ダイオードのスイッチング損失（ＳＷ損失と略記することがある）は小さくなるから、図８、図９の結果から、図４に示す加速エネルギーとスイッチング損失の関係を得ることができる。

上記において説明したとおり、照射工程で照射する水素イオンの加速エネルギーは、２ＭｅＶ以上である。水素イオンの加速エネルギーを２ＭｅＶ以上とした場合には、その後に活性化工程を行うことによって、スイッチング損失を低減する効果を有するライフタイム制御領域２を形成するとともに、２μｍ以上のバッファ層１０２を形成することができる。水素イオンの加速エネルギーは、２ＭｅＶ以上かつ２０ＭｅＶ以下であることが、さらに好ましい。２０ＭｅＶ以下の加速エネルギーで水素イオンを照射すれば、ライフタイム制御領域がキャリアのライフタイムを低減する機能が十分に得られる一方で、加速エネルギーが２０ＭｅＶを超えると、水素イオンを照射する装置の負荷が大きくなり、製造コストが大きくなる。

以下、図１０〜図１４を参照して、半導体装置１０の製造方法の一例をさらに具体的に説明する。準備工程では、図１０に示すように、ドリフト層１０３と、ドリフト層１０３の裏面に接するコレクタ層１０１が形成されている半導体基板３００を準備する。なお、図１０では、ドリフト層１０３よりも表面側の半導体基板３００の構造については図示を省略しているが、ドリフト層１０３の表面側に、図１に図示した半導体装置１０が備える各構成が形成されている。ドリフト層１０３としてｎ型の半導体ウェハを用いる場合は、ｎ型の半導体ウェハにイオン注入等を行うことによってコレクタ層、ボディ層等の構造を形成することができる。また、コレクタ層１０１としてｐ型の半導体ウェハを用いる場合は、ドリフト層１０３としてｐ型の半導体ウェハの表面にｎ型のエピタキシャル層を形成し、そのエピタキシャル層にイオン注入等を行うことによってボディ層等の構造を形成してもよい。

照射工程では、図１０に示すように、ドリフト層１０３のコレクタ層１０１側の領域に、アブソーバ１５０を介して、２ＭｅＶ以上の加速エネルギーで水素イオンを照射する。図１０では、半導体基板３００の表面側から水素イオンを照射する場合を例示している。水素イオンは、高い加速エネルギーを比較的容易に達成可能な加速器を用いて照射することが好ましく、例えば、サイクロトロン加速器を好適に用いることができる。照射位置（水素イオンの平均停止位置）は、コレクタ層１０１の表面から距離Ｘ（Ｘ≧０）の位置に設定する。照射する水素イオンの加速エネルギーおよびアブソーバ１５０の厚さを調整することによって、照射位置を所定の位置に調整することができる。水素イオンの照射量は、５×１０^１３ｃｍ^−２以上かつ１×１０^１６ｃｍ^−２以下であることが好ましい。

これによって、図１１に示すように、コレクタ層１０１の表面側に接するように、水素イオンが照射されたイオン層１４２および結晶欠陥が形成された領域２２を形成することができる。領域２２は、ドリフト層１０３に含まれる領域２２ａおよびイオン層１４２に含まれる領域２２ｂを有している。結晶欠陥密度のピークは、領域２２ｂに位置している。

図１２に示すように、活性化工程では、照射工程で照射した水素イオンを活性化して水素イオンドナー化し、これによってバッファ層１０２を形成する。活性化工程では、半導体基板３００をアニール処理することによって、水素イオンを活性化する。アニール処理は、窒素雰囲気下で２００℃以上かつ５００℃以下の温度範囲に加熱する。アニール処理を行なうと、水素イオンを照射することによって形成された結晶欠陥と、水素イオンと、シリコン（Ｓｉ）が複合化し、水素イオンがドナー化する。これによって、図１２に示すように、コレクタ層１０１とドリフト層１０３の間にバッファ層を形成することができる。また、アニール処理を行った後、照射工程で形成した結晶欠陥は、バッファ層１０２内およびドリフト層１０３内に残存している。これによって、図１２に示すように、バッファ層１０２内およびドリフト層１０３のコレクタ層１０１側の部分にライフタイム制御領域２が形成される。

図１３に示すように、照射工程で照射される水素イオン量は、水素イオン量のピーク位置を中心に深さ方向に左右対象の関係となる。縦軸に示す水素イオン量のピークにおける水素イオン量をＰとすると、水素イオン量がＰ／２以上である領域の半導体基板の厚さ方向の幅はｄである。即ち、ｄは、図１３に示す波形の半値幅を示している。図１０および図１１に示す照射位置Ｘは、Ｘ＜ｄ／２を満たすように設定される。図１１に示すように、イオン層１４２は、照射位置Ｘから半導体基板の表面側に距離ｄ／２まで伸びている。照射位置Ｘが、Ｘ＜ｄ／２を満たすように設定すれば、水素イオン量がＰ／２以上であるイオン層１４２をコレクタ層１０１の表面側に接して形成することができる。

なお、照射工程における水素イオンの照射条件（水素イオンの照射量、加速エネルギー等）と、活性化工程におけるアニール処理条件（処理温度、加熱の方法等）を調整することによって、水素イオンドナーの濃度分布曲線および結晶欠陥の密度分布曲線のピーク位置、ピーク濃度、半値幅等を調整することが可能である。また、必要に応じて、水素イオンの照射を２回以上に分けて行ってもよい。水素イオンの照射を２回以上行う場合には、それぞれの照射において、照射位置や照射方向を変えてもよい。

図１４は、照射位置Ｘ＝０と設定した場合（図１０において、コレクタ層１０１とドリフト層１０３との界面の位置を水素イオンの照射位置とした場合）の、結晶欠陥密度の分布および水素イオンドナー濃度の分布を、半導体基板３００の表面からの距離に対してプロットした図である。結晶欠陥密度は、参照番号８１で示す破線であり、水素イオンドナー濃度は、参照番号９１で示す実線である。距離Ｄ１からＥ１の領域は、コレクタ層１０１である。距離Ｂ１からＤ１の領域は、バッファ層１０２である。距離Ｂ１より浅い領域（半導体基板３００の表面側）は、ドリフト層１０３である。半導体基板３００の表面側から距離Ｄ１の位置に水素イオンを照射すると、加速エネルギーによって決定される半値幅に従って距離Ｄ１からＣ１に示すガウス分布状の水素イオンドナー濃度の分布を得ることができる。これは、水素イオン照射時に形成された水素イオンの濃度分布に一致する。距離Ｃ１からＢ１の領域では、距離Ｄ１からＣ１の領域よりも、水素イオンドナーの分布がより緩やかになっている。距離Ｃ１からＢ１の領域は、活性化工程におけるアニール処理等の活性化処理によって水素イオンが拡散したため、水素イオンドナーの分布がより緩やかになっている。結晶欠陥は、距離Ａ１からＥ１の領域に広がっている。２ＭｅＶ以上という高い加速エネルギーで水素イオンの照射を行うため、水素イオンが通過する領域にも結晶欠陥が形成され易い。このため、結晶欠陥は、図１４に示すような広い範囲に緩やかに分布する。

距離Ｃ１からＤ１の領域は、水素イオンドナー濃度が高濃度であり、半導体装置１０に高電圧が印加された場合に、電界が急激に広がることを抑制する効果が高い。距離Ｃ１からＤ１の領域は、分布の緩やかな距離Ｂ１からＣ１の領域に連続しており、全体として電界の広がりを緩やかにし、ターンオフ時のキャリアをゆっくりと消失させる効果を有する。図１５は、半導体装置のターンオフ時における電圧値および電流値を示している。図１５に示すように、従来の半導体装置の電圧値（参照番号９０１）と比較して、図１４のようなドナー分布を有する半導体装置１０の電圧値（参照番号８０１）においては、ターンオフ時のサージ電圧が低減される。サージ電圧が低減されるメカニズムを具体的に説明する。図１４のようなドナー分布を有する半導体装置１０では、図１６に示すように、距離Ｂ１からＥ１の領域に高濃度に分布する水素イオンドナー（参照番号９１）によって、ターンオフ時に形成される電界強度（参照番号８２１）が顕著に低減される。また、図１７に示すように、ターンオフ時には、距離Ｂ１からＥ１の領域においてキャリア濃度（参照番号８３２）が高くなる。その結果、ドリフト層１０３に残留するキャリアが速やかに消失して、スイッチング損失が低減される。

また、距離Ａ１からＥ１の領域には、距離Ｄ１をピーク位置として、結晶欠陥が緩やかに分布している。この結晶欠陥密度分布は、過剰に注入された電子や正孔を消失させる効果を有する。図１５に示すように、図１４のような結晶欠陥密度分布を有する半導体装置１０の電流値（参照番号８０２）では、従来の半導体装置の電流値（参照番号９０２）と比較して、ターンオフ時のテール電流が低減される。その結果、スイッチング損失を低減することが可能となる。特に、距離Ａ１からＢ１の領域では、結晶欠陥は形成されているが、水素イオンドナーは形成されていない。このため、距離Ａ１からＢ１の領域では、結晶欠陥がキャリアを消失させる効果が大きい。図１４に示す分布を有する半導体装置は、結晶欠陥は分布している一方で、水素イオンドナーは実質分布していない領域を有するため、スイッチング損失を低減する効果が高く、高速スイッチングを行う用途に好適に利用できる。また、図１７に示すように、結晶欠陥が多く分布している領域ほど、参照番号８３１に示すように、キャリアのライフタイムが短くなる。残留キャリア（参照番号８３２）が多い半導体基板の裏面側では、キャリアのライフタイムが短くなっており、残留キャリアが少ない半導体基板の表面側では、キャリアのライフタイムが長くなっている。すなわち、距離Ｂ１からＥ１に残留するキャリアのライフタイムは短く、速やかに消失する。その結果、スイッチング損失が低減される。

また、本願に係る半導体装置では、オン電圧のスナップバック現象を防止する効果を得ることもできる。図１８に、半導体装置のオン時の正常波形８０３と、スナップバック現象が発生した状態を示すスナップバック波形９０３を示す。スナップバック波形９３０は、図１８に示すように、半導体装置１０のオン時に、印加電圧の上昇に伴い、その初期には電流が増加するものの、印加電圧が特定のスイッチング電圧に達すると、印加電圧の上昇に対して電流値が減少する現象（負性抵抗）を一旦示す。そして、この後に印加電圧が更に上昇して特定のホールディング電圧に達すると、電流が再び増加する。本願に係る半導体装置およびその製造方法では、水素イオンを照射してドナー化することによって高濃度ｎ層を形成するとともに、高濃度ｎ層内およびその周辺にライフタイム制御領域を形成する。このため、本願に係る半導体装置は、ライフタイム制御領域の結晶欠陥密度が比較的少なくても、図１１に示すようなターンオフ時のテール電流を低減し、スイッチング損失を低減する効果を得ることができる。本願に係る半導体装置は、ライフタイム制御領域の結晶欠陥密度を比較的少なくすることができるため、スナップバックが発生しにくい。

また、上記の製造方法によれば、半導体装置１０のバッファ層１０２の半導体基板１００の厚さ方向の幅Ｄを、２μｍ以上かつ７０μｍ以下とすることができる。このため、半導体装置の裏面に入る傷によってＣＥ間耐圧が低下することを抑制することができる。図１９は、バッファ層を有するＩＧＢＴの裏面（コレクタ層側）に傷が入った場合のコレクタ電極−エミッタ電極間の耐圧（ＣＥ間耐圧）を示している。横軸の右方向ほど、半導体装置の裏面に深い傷が入った場合を示している。実験例１として図示する実験データは、半導体装置１０のバッファ層１０２の厚さが２μｍである場合を示している。比較例１として図示するデータは、バッファ層の厚さが１μｍである以外は実験例１と同様の構成の半導体装置の場合を示している。図１９に示すように、比較例１では、半導体装置の裏面に傷が入ると、著しくＣＥ間耐圧が低下した。一方、実験例１では、ある程度の深さの傷に対してはＣＥ間耐圧が低下することがなかった。実験例１に係る半導体装置によれば、半導体装置の裏面に入る傷によってＣＥ間耐圧が低下することを抑制することができる。バッファ層１０２が厚いほど、裏面に入る傷に起因するＣＥ間耐圧低下を抑制する効果は高くなるが、バッファ層１０２が厚過ぎるとＩＧＢＴ動作時の抵抗値が大きくなる。このため、バッファ層１０２の半導体基板１００の厚さ方向の幅Ｄは、２μｍ以上かつ７０μｍ以下である。

上記では、照射工程において、半導体基板３００の表面側から水素イオンを照射する場合（図１０）を例示して説明したが、図２０に示すように、半導体基板３００の裏面側から水素イオンを照射してもよい。照射工程において、裏面側から水素イオンを照射した場合には、結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布を、半導体基板３００の表面からの距離に対してプロットした図は、図２１に示すとおりとなる。結晶欠陥密度は、参照番号８２で示す破線であり、水素イオンドナー濃度は、参照番号９２で示す実線である。距離Ｄ２からＥ２の領域は、コレクタ層１０１である。距離Ｂ２からＤ２の領域は、バッファ層１０２である。距離Ｂ２より浅い領域は、ドリフト層１０３である。半導体基板３００の表面側から距離Ｄ２の位置に水素イオンを照射すると、加速エネルギーによって決定される半値幅に従って距離Ｄ２からＢ２に示すガウス分布状のドナー濃度分布を得ることができる。水素イオンドナーの濃度分布は、水素イオン照射時に形成された水素イオンの分布に一致しており、照射する水素イオンの加速エネルギーによって決定される半値幅に従うガウス分布形状で、距離Ｂ２から距離Ｅ２の領域に分布する。

結晶欠陥は、距離Ａ２からＥ２の領域に広がっており、水素イオンドナーよりも半導体基板３００の厚さ方向に広い領域に分布している。図２，図３に示すように、結晶欠陥が形成される確率および水素イオンがドナー化する確率は、水素イオンの加速エネルギーに依存するが、同じ加速エネルギーにおけるそれぞれの確率は、前者の方が後者よりも高い。例えば、２ＭｅＶの加速エネルギーで水素イオンを照射した場合には、１つの水素イオンに対して、３０個の結晶欠陥が形成される一方、ドナー化の確率は、１０個の水素イオンに対して１個がドナー化する程度である。結晶欠陥は、照射した水素イオン量の少ない領域でも比較的密度が高い。一方、水素イオンドナーは、照射した水素イオン量の少ない領域では、比較的低濃度となり、場合によっては、無視できるほど低濃度となる。その結果、結晶欠陥は、水素イオンドナーよりも半導体基板の厚さ方向に広い領域に分布した状態となる。

半導体装置１０が図２１に示す分布を有する場合について説明する。距離Ｂ２からＥ２までの領域では、水素イオンドナーが高濃度に分布しており、半導体装置１０に高電圧が印加された場合に、電界が急激に広がることを抑制する効果が高い。また、距離Ｂ２からＥ２までの領域において、水素イオンドナーは、全体的に緩やかに分布している。このため、電界の広がりを緩やかにし、ターンオフ時のキャリアをゆっくりと消失させる効果を有する。図２１のような水素イオンドナー濃度分布を有する半導体装置においても、図１４に示す場合と同様に、図１５に示すようなサージ電圧低減の効果を得ることができる。また、図１８に示すようなスナップバック現象を防止することができる。また、図１０と同様に、図２１では、距離Ｄ２をピーク位置として、距離Ａ２からＥ２の領域に結晶欠陥が緩やかに分布している。このため、図１５に示すようなテール電流低減の効果を得ることができる。

なお、バッファ層は、図１に示すバッファ層１０２のように、上下面が平面であるものに限定されない。例えば、図２２に示すように、ドリフト層１０３と接する面に凹凸を有するバッファ層２０２であってもよい。この場合、バッファ層２０２の薄い部分の厚さ方向の幅ｙ１および厚い部分の厚さ方向の幅ｙ２が、上記の幅Ｄについて示した範囲内となるように設計する。ライフタイム制御領域２２２は、領域２２２ａと領域２２２ｂを有している。領域２２２ａはドリフト層１０３内に含まれており、領域２２２ｂはバッファ層２０２内に含まれている。

本願に係る半導体装置は、ＩＧＢＴに限られず、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＲＣ−ＩＧＢＴ等であってもよい。他の一例として、図２３に示す半導体装置５０について説明する。半導体５０は、高濃度ｎ層としてバッファ層５０２およびカソード層５３１を備えたＲＣ−ＩＧＢＴである。半導体装置５０は、半導体基板５００と、半導体基板５００の表面に設けられた表面電極５２１と、半導体基板５００の裏面に設けられた裏面電極５２２とを備えている。半導体基板５００には、ＩＧＢＴおよびダイオードが形成されている。半導体基板５００は、半導体基板５００の裏面側から順に設けられたｐ型のコレクタ層５０１およびｎ型のカソード層５３１と、ｎ型のバッファ層５０２と、ｎ型のドリフト層５０３と、ｐ型のボディ層５０４と、ｎ型のエミッタ層５０５およびｐ型のボディコンタクト層５０６を備えている。エミッタ層５０５およびボディコンタクト層５０６は、ボディ層５０４によってドリフト層５０３と隔離されている。半導体基板５００は、さらに、エミッタ層５０５とドリフト層５０３との間に位置するボディ層５０４に接する絶縁ゲート５１０を備えている。絶縁ゲート５１０は、トレンチ５１１と、トレンチ５１１の内壁に形成されている絶縁膜５１２と、絶縁膜５１２に覆われてトレンチ５１１内に形成されているゲート電極５１３とを備えている。バッファ層５０２は、ドリフト層５０３とコレクタ層５０１の間に設けられている。カソード層５３１とコレクタ層５０１は、互いに隣接している。コレクタ層５０１、ボディコンタクト層５０６は、ボディ層５０４よりもｐ型の不純物濃度が高い。バッファ層５０２は、ドリフト層５０３よりもｎ型の不純物濃度が高く、カソード層５３１は、バッファ層５０２よりもｎ型の不純物濃度が高い。バッファ層５０２は、水素イオンドナーを含んでいる。バッファ層５０２およびドリフト層５０３には、結晶欠陥の密度が高いライフタイム制御領域５２が形成されている。ライフタイム制御領域５２は、ドリフト層１０３内に含まれる領域５２ａと、バッファ層１０２に含まれる領域５２ｂを有している。ライフタイム制御領域５２の結晶欠陥ピーク濃度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。

図２４および図２５は、裏面にカソード層５３１が形成されている部分について、半導体装置５０の結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布を、半導体基板５００の表面からの距離に対してプロットした図である。図２４は、照射工程において、図１０と同様に半導体基板の表面側から水素イオンを照射した場合の分布を示している。図２５は、照射工程において、図２０と同様に半導体基板の裏面側から水素イオンを照射した場合の分布を示している。なお、裏面にコレクタ層５０１が形成されている部分について、半導体装置５０の結晶欠陥密度分布および水素イオンドナー濃度分布は、図１４および図２１に示した分布と同様である。

図２４において、結晶欠陥密度は、参照番号８３で示す破線であり、水素イオンドナー密度は、参照番号９３で示す実線である。距離Ｄ３からＥ３の領域は、カソード層５３１である。距離Ｂ３からＤ３の領域は、バッファ層５０２である。距離Ｂ３より浅い領域は、ドリフト層５０３である。半導体基板５００の表面側から距離Ｄ３の位置に水素イオンを照射すると、加速エネルギーによって決定される半値幅に従って距離Ｄ３からＣ３に示すガウス分布状の水素イオンドナー濃度分布を得ることができる。これは、水素イオン照射時に形成された水素イオンの分布に一致する。距離Ｃ３からＢ３の領域では、距離Ｄ３からＣ３の領域よりも、水素イオンドナーの分布がより緩やかになっている。距離Ｃ３からＢ３の領域は、活性化工程におけるアニール処理等の活性化処理によって水素イオンが拡散したため、水素イオンドナー分布がより緩やかになっている。結晶欠陥は、距離Ａ３からＥ３の領域に広がっている。

図２５において、結晶欠陥密度は、参照番号８４で示す破線であり、水素イオンドナー密度は、参照番号９４で示す実線である。距離Ｄ４からＥ４の領域は、カソード層５３１である。距離Ｂ４からＤ４の領域は、バッファ層５０２である。距離Ｂ４より浅い領域は、ドリフト層５０３である。半導体基板５００の表面側から距離Ｄ４の位置に水素イオンを照射すると、加速エネルギーによって決定される半値幅に従って距離Ｄ４からＢ４に示すガウス分布状のドナー濃度分布を得ることができる。水素イオンドナーの濃度分布は、水素イオン照射時に形成された水素イオンの分布に一致しており、照射する水素イオンの加速エネルギーによって決定される半値幅に従うガウス分布形状で、距離Ｂ４から距離Ｅ４の領域に分布する。結晶欠陥は、距離Ａ４からＥ４の領域に広がっており、水素イオンドナーよりも半導体基板の厚さ方向に広い領域に分布している。

図２６は、半導体装置５０のダイオードの逆回復時（リカバリ時）における電流値（参照番号８０３）および電圧値（参照番号８０４）を示している。比較のため、図２６には、従来の半導体装置の電流値（参照番号９０３）および電圧値（参照番号９０４）を併せて図示している。半導体装置５０が図２４または図２５に示す分布を有している場合には、図１６および図１７を用いて半導体装置１０について説明した場合と同様に、距離Ｂ３からＥ３、または距離Ｂ４からＥ４に高濃度に分布する水素イオンドナーによって、ターンオフ時に形成される電界の強度が低減される。その結果、図２６に示すように、ダイオードの逆回復時のリカバリサージ電圧が低減する。また、図１７を用いて半導体装置１０について説明した場合と同様に、半導体基板５００の裏面側に残留キャリアが蓄積するため、ソフトターンオフおよびソフトリカバリを実現することができる。また、結晶欠陥が多く分布している領域ほど、キャリアのライフタイムが短くなる。そのため、図２６に示すように、リカバリ電流を低減することができる。なお、半導体装置５０のＩＧＢＴ動作時の効果については、図１４および図２１に示す分布を持つＩＧＢＴである半導体装置１０で説明したとおりである。また、ＲＣ−ＩＧＢＴのダイオードの逆回復時についての説明した効果は、半導体素子としてダイオードを備えている半導体装置（例えば、ダイオードのみを半導体素子として備える半導体装置）において、同様に得ることができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２，２２２，５２ ライフタイム制御領域
１０，５０ 半導体装置
１００，３００，５００ 半導体基板
１０１，５０１ コレクタ層
１０２，２０２，５０２ バッファ層
１０３，５０３ ドリフト層
１０４，５０４ ボディ層
１０５，５０５ エミッタ層
１０６，５０６ ボディコンタクト層
１１０，５１０ 絶縁ゲート
１１１，５１１ トレンチ
１１２，５１２ 絶縁膜
１１３，５１３ ゲート電極
１２１ エミッタ電極
１２２ コレクタ電極
５２１ 表面電極
５２２ 裏面電極
５３１ カソード層

Claims (8)

1. ｎ型のドリフト層と、
   ドリフト層の表面側に設けられたｐ型のボディ層と、
   ドリフト層の裏面側に設けられており、水素イオンドナーをドーパントとして含んでおり、ドリフト層よりもｎ型の不純物濃度が高い高濃度ｎ層とを備えた半導体基板を有する半導体装置であって、
   高濃度ｎ層およびドリフト層の一部には、結晶欠陥をライフタイムキラーとして含むライフタイム制御領域が形成されており、
   半導体基板の厚さ方向について、高濃度ｎ層の水素イオンドナー濃度が最も高いドナーピーク位置は、ライフタイム制御領域の結晶欠陥密度が最も高い欠陥ピーク位置に一致または隣接しており、
   ライフタイム制御領域の欠陥ピーク位置における結晶欠陥の密度は、１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である、半導体装置。
2. 高濃度ｎ層の半導体基板の厚さ方向の幅は、２μｍ以上かつ７０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
3. ライフタイム制御領域の結晶欠陥は、半導体基板に、２ＭｅＶ以上の加速エネルギーで水素イオンを照射することによって形成され、
   高濃度ｎ層の水素イオンドナーは、結晶欠陥を形成する際に照射した水素イオンをドナー化することによって形成される、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. ｎ型のドリフト層と、
   ドリフト層の表面側に設けられたｐ型のボディ層と、
   ドリフト層の裏面側に設けられており、ドリフト層よりもｎ型の不純物濃度が高い高濃度ｎ層とを備えた半導体基板を有する半導体装置の製造方法であって、
   ドリフト層を備えた半導体基板を準備する準備工程と、
   ドリフト層に、２ＭｅＶ以上の加速エネルギーで水素イオンを照射して、結晶欠陥を形成する照射工程と、
   照射工程で照射した水素イオンを活性化して高濃度ｎ層を形成するとともに、照射工程で形成した結晶欠陥の少なくとも一部を半導体基板内に残存させる活性化工程とを含む、半導体装置の製造方法。
5. 照射工程では、ドリフト層に、２ＭｅＶ以上かつ２０ＭｅＶ以下の加速エネルギーで水素イオンを照射する、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 活性化工程では、半導体基板を２００℃以上かつ５００℃以下の基板温度でアニール処理する、請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 照射工程では、ドリフト層の裏面側から水素イオンを照射する、請求項４〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 照射工程では、ドリフト層の表面側から水素イオンを照射する、請求項４〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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