(57)【要約】  ｎＦＳ層（１４）は、定格電圧印加によって広がる空乏層がｎＦＳ層（１４）の内部で止まる程度の総不純物量をｎ-ドリフト層（１）の総不純物量と併せて有する。かつ、ｎＦＳ層（１４）は、ｐ+コレクタ層（１５）からｐベース層（５）に向ってｎＦＳ層（１４）の不純物濃度が低くなる濃度勾配を持つとともに拡散深さが２０μｍ以上である。さらに、ｎＦＳ層（１４）とｐ+コレクタ層（１５）との間に、ピーク不純物濃度がｎＦＳ層（１４）より高い６×１０15ｃｍ-3以上でｐ+コレクタ層（１５）のピーク不純物濃度の１／１０以下のｎ+バッファ層（１３）を備える。これにより、短絡発生時の素子破壊耐量の向上と熱暴走破壊の抑制とを両立し、さらにオン電圧ばらつきを減少させたフィールドストップ（ＦＳ）型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供することができる。
2012157772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面の表面層に形成された第２導電型ベース層と、
前記第２導電型ベース層の、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側の表面層に形成された第１導電型エミッタ層と、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面に設けられ、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に接するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に対向するゲート電極と、
前記第１導電型ドリフト層、前記第２導電型ベース層、前記第１導電型エミッタ層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極からなるＭＯＳゲート構造と、
前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、
前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、
前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた第１導電型バッファ層と、
を備え、
前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度は、前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、
前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量は、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、
前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、
前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、
前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度は、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度が６×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１導電型フィールドストップ層のドーパントがセレンまたは硫黄であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１導電型バッファ層のドーパントがリンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度が３×１０14ｃｍ-3以上３×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１導電型フィールドストップ層の濃度勾配の大きさが、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度の位置から前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に向って段階的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
定格電圧が１２００Ｖ以上であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
【請求項８】
第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に設けられた少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜および前記第１導電型半導体基体からなるＭＯＳゲート構造と、前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型バッファ層と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に前記ＭＯＳゲート構造を形成するＭＯＳゲート構造形成工程と、
前記第１導電型半導体基体の他方の主面を研削し、前記第１導電型半導体基体を所定の厚さまで薄くする薄板化工程と、
前記第１導電型半導体基体の研削した面に、前記第１導電型フィールドストップ層、前記第１導電型バッファ層および前記第２導電型コレクタ層を形成するためのそれぞれのドーパントをイオン注入する注入工程と、
前記第１導電型半導体基体の研削した面にイオン注入された複数の前記ドーパントを一括して電気的に活性化させるための熱処理を行う活性化工程と、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面に金属電極膜をスパッタリングにより形成し熱処理を行う電極膜形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度が前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量が、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度が、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下となるように、前記注入工程と前記活性化工程とを行うことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、基板裏面側にフィールドストップ層を設けた半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の高速スイッチング特性および電圧駆動特性と、バイポーラトランジスタの低オン電圧特性とをワンチップに構成したパワー素子である。【０００３】
ＩＧＢＴは、ＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード）などと共に用いられることも多く、汎用および電気自動車用のインバータや交流（ＡＣ）サーボ、無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業用機器分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野へも拡大している。さらに、次世代型へ改良された素子として、よりオン電圧の低いＩＧＢＴが開発され、応用装置の低損失化や高効率化が図られている。【０００４】
そのようなＩＧＢＴとして、従来の高価なエピタキシャルウエハに代えて、安価なＦＺ（Ｆｌｏａｔ  Ｚｏｎｅ）ウエハからなるＦＺ−ｎ型シリコン（Ｓｉ）基板を用いた素子が開発されている。さらに、ＩＧＢＴとして、トレンチ型のＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造（以下、トレンチＭＯＳ構造とする）を備えたフィールドストップ（ＦＳ）型ＩＧＢＴ（以下、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴとする）が公知である。図５は、従来のＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。【０００５】
図５に示すように、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴは、ｎ-ドリフト層１となるＳｉ基板のおもて面側に複数のトレンチ１１を備える。トレンチ１１中には、トレンチ１１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１０が設けられ、ゲート絶縁膜１０の内側にゲート電極７が設けられている。Ｓｉ基板のトレンチ１１間に挟まれた部分にはｐベース層５が設けられ、Ｓｉ基板のおもて面側にゲート電極７、ゲート絶縁膜１０およびｐベース層５からなるトレンチＭＯＳ構造１２が構成されている。【０００６】
さらに、ｐベース層５の表面層には、ｎ+エミッタ領域４およびｐ+コンタクト領域６が選択的に設けられている。ｎ+エミッタ領域４は、トレンチ１１側面の上側（開口部側）端に接するように配置される。ｎ+エミッタ領域４とｐベース層５（ｐ+コンタクト領域６）との双方にオーミック接触するエミッタ電極９が設けられている。Ｓｉ基板の裏面側には、ｐ+コレクタ層３、コレクタ電極８が設けられている。ｐ+コレクタ層３とｎ-ドリフト層１との間にフィールドストップ（ＦＳ）層２が設けられている。【０００７】
ｎ-ドリフト層１となるＦＺ−ｎ型Ｓｉ基板を用いることにより、ウエハコストを低減させることができる。また、ＦＳ層２を設けることにより、Ｓｉ基板の厚さをノンパンチスルー（ＮＰ）型ＩＧＢＴよりも薄くてかつ耐圧に応じた厚さにすることができ、オン電圧を低減させることができる。また、ｐ+コレクタ層３を低ドーズ量で深さの浅い低注入コレクタとすることにより、電子線照射などによるライフタイム制御を行なわずに高速にターンオフさせることができる。【０００８】
このように、半導体基板のおもて面に高密度に配置したトレンチ１１の内壁にＭＯＳゲート構造を設けた構成のトレンチＭＯＳ構造１２と、半導体基板の裏面にＦＳ層２を設けた構成のＦＳ−ＩＧＢＴとを組み合わせたトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴが市場で主流のデバイスとなっている。【０００９】
前述のように、図５に示すトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴは、ＦＳ層２を設けることにより、Ｓｉ基板（ウエハ）の厚さを薄くしてオン電圧を低減させることができる。しかし、薄いウエハは製造プロセス中に割れ易く良品率が悪化し易いため、製造プロセスへの投入時には薄くされておらず厚いままのウエハが用いられる。その後のプロセスで、ウエハのおもて面側にトレンチＭＯＳ構造１２を形成した後、耐圧に必要な厚さまでウエハを薄くする。ウエハを薄くするプロセスとして、ウエハを裏面から研削やエッチングなどにより薄くするバックグラインドプロセスが提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。【００１０】
また、ＦＳ−ＩＧＢＴの耐量を向上させる方法として、ＦＳ層またはバッファ層（不図示）を形成するためのドーパントにリン（Ｐ）を用いて、低不純物濃度でウエハ裏面側から深い拡散層と、高不純物濃度でウエハ裏面側から浅い拡散層とで構成された二段のバッファ層（ＦＳ層）を形成する方法が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。下記特許文献２では、二段のバッファ層とすることにより、ターンオフ時に発生し易いドレイン電圧およびドレイン電流の振動の発生を防止することができる。また、ウエハを薄くするためのバックグラインド時の研磨量の精度に依存する特性への悪影響を防止することができる。【００１１】
さらに、ＦＳ−ＩＧＢＴを形成する方法として、ＦＳ層を形成するためのドーパントにリンではなくリンよりも拡散定数の大きいセレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）などのｎ型不純物を用いて、効率的にＦＳ層を低不純物濃度で深い拡散層とする方法が提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。【００１２】
また、高耐圧で、短絡電流遮断時の安全動作領域の耐量を向上させたＦＳ−ＩＧＢＴとして、ドリフト層と空乏層との幅の比と、コレクタ層とバッファ層との不純物濃度の比をそれぞれ規定した構造を備えたＦＳ−ＩＧＢＴが提案されている（例えば、下記特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２９９３４６号公報（０００８段落、図１）
【特許文献２】特開２００２−２６１２８２号公報（００１８段落〜００２９段落）
【特許文献３】特表２００２−５２０８８５号公報（００１０段落）
【特許文献４】特開２０１０−５６１３４号公報（００１７段落〜００２５段落）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記特許文献２には、素子破壊耐量を向上させることができる層構造については記載されているが、熱暴走破壊を防止するための層構造やオン電圧のばらつきを抑制するための層構造についてまでは言及されていない。また、上記特許文献４では、ｐ+コレクタ層からｎバッファ層への正孔の注入効率が大きい層構成とすることにより短絡電流遮断時の安全動作領域の耐量を向上させている。正孔の注入効率が大きくなるということは、逆に漏れ電流が増加する虞があり、熱暴走破壊に至り易いことも示唆される。しかしながら、上記特許文献４では、熱暴走破壊に対して抑制効果のある層構成について明らかにされていない。【００１５】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、短絡発生時の素子破壊耐量の向上と熱暴走破壊の抑制とを両立させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、オン電圧ばらつきをも減少させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面の表面層に形成された第２導電型ベース層と、前記第２導電型ベース層の、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側の表面層に形成された第１導電型エミッタ層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面に設けられ、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に対向するゲート電極と、前記第１導電型ドリフト層、前記第２導電型ベース層、前記第１導電型エミッタ層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極からなるＭＯＳゲート構造と、前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた第１導電型バッファ層と、を備え、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度は、前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量は、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度は、前記フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下であることを特徴とする。【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度が６×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層のドーパントがセレンまたは硫黄であることを特徴とする。【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型バッファ層のドーパントがリンであることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度が３×１０14ｃｍ-3以上３×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする。【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層の濃度勾配の大きさが、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度の位置から前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に向って段階的に小さくなることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、定格電圧が１２００Ｖ以上であることを特徴とする。【００２０】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に設けられた少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜および前記第１導電型半導体基体からなるＭＯＳゲート構造と、前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型バッファ層と、を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に前記ＭＯＳゲート構造を形成する（ＭＯＳゲート構造形成工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の他方の主面を研削し、前記第１導電型半導体基体を所定の厚さまで薄くする（薄板化工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の研削した面に、前記第１導電型フィールドストップ層、前記第１導電型バッファ層および前記第２導電型コレクタ層を形成するためのそれぞれのドーパントをイオン注入する（注入工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の研削した面にイオン注入された複数の前記ドーパントを一括して電気的に活性化させるための熱処理を行う（活性化工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の一方の主面に金属電極膜をスパッタリングにより形成し熱処理を行う（電極膜形成工程）。【００２１】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度が前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量が、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度が、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下となるように、前記注入工程と前記活性化工程とを行うことを特徴とする。【００２２】
上述した発明によれば、ドーパントとしてセレンや硫黄を用いて、深くて低不純物濃度でありかつ濃度勾配が緩やかな第１導電型フィールドストップ層を設けることにより、短絡発生時にコレクタ側から注入される正孔の量が多くなり、コレクタ側での電界強度の上昇が抑えられる。また、第１導電型フィールドストップ層と第２導電型コレクタ層との間に、リンのイオン注入によって所定のピーク不純物濃度を有する第１導電型バッファ層を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔の注入を抑えることができる。また、上述した発明によれば、第１導電型バッファ層のピーク不純物濃度を第２導電型コレクタ層のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることにより、オン電圧ばらつきを減少させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、短絡発生時に空間電荷領域を早期に広げることで素子破壊耐量を大きくするとともに、正孔の注入に起因する熱暴走破壊の抑制を両立させることができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、オン電圧ばらつきをも減少させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの短絡発生時のドリフト層内の電界強度分布を示す特性図である。
【図３】図３は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度と許容最大接合温度との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度とコレクタ層のピーク不純物濃度との比によるオン電圧ばらつきを示す特性図である。
【図５】図５は、従来のＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。
【図７】図７は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。以下の説明では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型として説明するが、本発明は第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としても同様に成り立つ。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。また、半導体のｐ型あるいはｎ型を決める不純物をドーパントと呼ぶこともある。不純物濃度については、特に断りが無ければ、電気的に活性化されたドーパントによる正味のネットドーピング濃度を示す。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２６】
（実施の形態）
本発明の実施の形態にかかるフィールドストップ型ＩＧＢＴ（ＦＳ−ＩＧＢＴ）について、例えば耐圧１７００Ｖのトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴを例に図１，６などを参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。図６は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。図６には、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴを構成するシリコン（Ｓｉ）基板（半導体基体）の裏面からｎ-ドリフト層１にかけての不純物濃度分布を示す（図７についても同様）。
【００２７】
図１に示すトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴは、例えば安価なＦＺウエハからなるＦＺ−ｎ型のＳｉ基板を用いて構成される。Ｓｉ基板の比抵抗は、例えば８０Ωｃｍ〜１３０Ωｃｍ程度であってもよい。最終仕上がりのＳｉ基板の厚さは、例えば１６０μｍ〜２１０μｍ程度であってもよい。最終仕上がりのＳｉ基板の厚さとは、ＦＳ−ＩＧＢＴ完成後の製品を構成するＳｉ基板の厚さである。Ｓｉ基板内部の層構造は、次のとおりである。ｎ-ドリフト層１となるＳｉ基板の一方の主面（おもて面）には、複数のトレンチ１１が所定間隔で設けられている。
【００２８】
トレンチ１１内には、トレンチ１１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１０が設けられ、ゲート絶縁膜１０の内側にゲート電極７が設けられている。Ｓｉ基板のトレンチ１１間に挟まれた部分にはｐベース層５が設けられ、Ｓｉ基板のおもて面側にゲート電極７、ゲート絶縁膜１０およびｐベース層５などからなるトレンチ型のＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造（トレンチＭＯＳ構造）１２が構成されている。複数のトレンチ１１間の各ｐベース層５の表面層には、ｎ+エミッタ領域４およびｐ+コンタクト領域６が選択的に設けられている。
【００２９】
ｎ+エミッタ領域４は、トレンチ１１側面の上側（開口部側）端に接するように配置される。ｐ+コンタクト領域６は、ｎ+エミッタ領域４に接するように配置される。ｎ+エミッタ領域４の表面とｐベース層５（またはその表面層のｐ+コンタクト領域６）の表面とにオーミック接触するエミッタ電極９が設けられている。エミッタ電極９は、層間絶縁膜によってゲート電極７と電気的に絶縁されている。Ｓｉ基板の裏面（他方の主面）側には、ｐ+コレクタ層１５とこのｐ+コレクタ層１５の表面にオーミック接触するコレクタ電極８とが設けられている。
【００３０】
ｐ+コレクタ層１５のｎ-ドリフト層１側には、本発明に特有のピーク不純物濃度（不純物濃度分布の最大不純物濃度）を有するｎ+バッファ層１３と、ｎ+バッファ層１３を挟んでｎ-ドリフト層１側に深いｎフィールドストップ（ＦＳ）層１４とからなるｎ型層構造が本発明の特徴として構成されている。Ｓｉ基板（あるいはＩＧＢＴチップ）の裏面からの深さ方向におけるｐ+コレクタ層１５、ｎ+バッファ層１３、ｎＦＳ層１４およびｎ-ドリフト層１の不純物濃度分布については、図６に示す。
【００３１】
ｎＦＳ層１４を形成するためのイオン注入のドーパントには、同じ温度における拡散係数がリンよりも大きい例えばセレンあるいは硫黄を用いるのが好ましく、より好ましくはセレンを用いるのがよい。ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度は、例えば３×１０14ｃｍ-3から３×１０15ｃｍ-3の範囲内であることが好ましい。ｎＦＳ層１４の拡散深さは、ｎＦＳ層１４とｎ-ドリフト層１との境界がＳｉ基板の裏面から例えば２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。このような最大不純物濃度および拡散深さの範囲内となる条件にて、ｎＦＳ層１４を形成するための例えばセレンのイオン注入およびその後の熱拡散処理を行う。例えば、Ｓｉ基板の裏面からｎＦＳ層１４とｎ-ドリフト層１との境界までの深さを、３０μｍとしてもよい。この場合、Ｓｉ基板の裏面から３０μｍの深さに至る不純物濃度分布は、Ｓｉ基板の裏面側の表面近傍でｎ型不純物濃度が最も高い値（例えば３×１０15ｃｍ-3）を示し、Ｓｉ基板の裏面側から深さ方向へ深くなるにしたがってｎ型不純物濃度が下がるような濃度勾配を有する。
【００３２】
まず、素子の熱暴走破壊を防ぐために、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度となる部分の不純物濃度およびＳｉ基板裏面からの拡散深さは、少なくとも、ｎＦＳ層１４の総不純物量とｎ-ドリフト層１の総不純物量との合計値が以下の関係を満たすようにする。ゲート電極７にゼロ電圧もしくは負電圧が印加されたオフの状態で、このＦＳ−ＩＧＢＴに定格電圧を印加した時に、ｎ-ドリフト層１とｎＦＳ層１４とに空乏層が広がる。このとき、空乏層におけるｎＦＳ層１４の総不純物量とｎ-ドリフト層１の総不純物量との合計値は、空乏層の先端部（空乏層端）がｎＦＳ層１４の内部にあるような値、すなわち空乏層の広がりをｎＦＳ層１４の内部で止めるに足りる値となるようにする。ここで総不純物量（あるいは不純物総量）とは、ある層の不純物濃度を、深さ方向（半導体基板のおもて面から垂直に裏面に向う方向、あるいはその逆向きの方向のこと）に積分した値である。
【００３３】
具体的には、空乏層におけるｎＦＳ層１４の総不純物量とｎ-ドリフト層１の総不純物量との合計値とは、空乏層が広がっている領域において、ｐベース層５とｎ-ドリフト層１とのｐｎ接合の位置（深さ）からｎ-ドリフト層１とｎＦＳ層１４との境界位置までｎ-ドリフト層１の不純物濃度を深さ方向に沿って積分した値と、ｎ-ドリフト層１とｎＦＳ層１４とが交差する位置から空乏層端の位置まで、ｎＦＳ層１４の不純物濃度を深さ方向に沿って積分した値との合計値のことである。さらに、定格電圧を印加した時に広がる空乏層の空乏層端は、ｐ+コレクタ層１５に達しないようにするとともに、ｐ+コレクタ層１５と空乏層端との距離をある程度（例えば３μｍ以上）離すようにする。このようにｐ+コレクタ層１５と空乏層端との距離を確保することにより、空乏層への正孔の注入を抑えることができる。以上のように、素子の熱暴走破壊を防ぐためには、まずゲート電極７にゼロ電圧もしくは負電圧が印加されたオフの状態で素子に電圧が印加されたときに生じる空乏層への正孔の注入を抑えることが大事である。そのためには、少なくとも定格電圧を印加した時の空乏層端は、ｎＦＳ層１４の中にあることが好ましい。
【００３４】
Ｓｉ基板裏面から深さ方向に深く、かつｐ+コレクタ層１５側から裏面から深さ方向に徐々に不純物濃度が低くなる濃度勾配を有するｎＦＳ層１４を設けることにより、従来の幅の狭い（深さの浅い）ｎＦＳ層を設けた場合に比べて、定格電圧印加時に広がる空乏層端の電界強度分布の電界強度減衰率をなだらかにすることができる。そのため、ｎＦＳ層１４は、ターンオフ時に発生し易い電圧波形または電流波形の振動を抑えたり、電圧波形または電流波形の振幅を小さくしたりする機能を有する。また、ｎＦＳ層１４の形成にあたり、ドーパントとしてセレンや硫黄を用いてｎＦＳ層１４となる２０μｍ以上の深い拡散層を形成することにより、次の効果が得られる。半導体基板（ウェハ）へのドーパントのイオン注入時に、注入面に存在する数μｍ程度の大きさのパーティクルがイオン注入の影となってイオンを遮蔽し、半導体基板内にイオンが注入されない欠陥領域が形成される場合がある。本発明のようにドーパントとしてセレンや硫黄を用いてｎＦＳ層１４となる２０μｍ以上の深い拡散層を形成することにより、パーティクルの大きさの数倍以上の深さにわたってこれらのドーパントが拡散する。そのため、セレンや硫黄の横方向拡散（基板の深さ方向に直交する方向への拡散）により、パーティクルによってイオン注入が遮蔽された領域にもドーパントが拡散する。したがって、パーティクルによって生じるイオン注入の注入むらを、耐圧や漏れ電流などの諸特性が劣化しない程度に小さくすることができる。さらに、イオン注入のドーパントとして用いるセレンは、ピーク不純物濃度を従来のイオン注入でドーパントとして用いたリンよりも低くすることができる。その結果、短絡発生時にコレクタ側から注入される正孔の量が多くなり、コレクタ側での電界強度の上昇が抑えられる。したがって、短絡発生時の素子破壊を抑制することができる。
【００３５】
さらに、本発明では、以下に説明するように、深いｎＦＳ層１４をセレンのイオン注入で形成するとともに、ｎＦＳ層１４とｐ+コレクタ層１５との間に本発明に特有のリンのイオン注入によるｎ+バッファ層１３を設けた構成にする。後述するように、短絡発生時の素子破壊を抑制するためには、セレンのようにｎＦＳ層１４の不純物濃度が全体としてより低くなる濃度勾配を有することが好ましい。その理由は、次のとおりである。ｎＦＳ層１４の不純物濃度を、前述のようにゲートがオフの状態で定格電圧を印加したときの空乏層端がｎＦＳ層１４の内部にあるようにしたとしても、ｐ+コレクタ層１５近傍のｎＦＳ層１４のピーク不純物濃度も低くなる。そのため、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入効率が高くなって漏れ電流が大きくなり、熱暴走破壊の可能性が高まることが問題となる。本発明のように、ｎＦＳ層１４とｐ+コレクタ層１５との間に、さらにリンのイオン注入によるｎ+バッファ層１３を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔の注入を抑え込むことができるからである。このｎ+バッファ層１３には、リン以外では砒素（Ａｓ）を用いることも可能である。また、ｎＦＳ層１４を形成するｎ型不純物としては、前述のように、セレンを用いる他に硫黄を用いることもできる。
【００３６】
ｎ+バッファ層１３は、例えば、厚さが０．５μｍ〜３．０μｍで、ピーク不純物濃度が少なくとも６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも１／１０以下の小さいピーク不純物濃度になるようにリンのイオン注入により形成されることが好ましい。まず、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度が６×１０15ｃｍ-3以上であることが好ましい理由を、図３を参照して説明する。図３は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度（ｃｍ-3）と許容最大接合温度（℃）との関係を示す特性図である。最大接合温度とは、ｎ+バッファ層１３とｐ+コレクタ層１５とのｐｎ接合部において許容される最大接合温度（以下、許容最大接合温度とする）である。ｎ+バッファ層１３は、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入を抑制する機能を有する。図３に示すように、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度が６×１０15ｃｍ-3以上のとき、許容最大接合温度は１７５℃以上になる。実際に素子を使用するときの最大保証動作温度は、その温度以下でリーク電流による熱暴走（リーク電流による温度上昇がさらにリーク電流を増加させる正帰還のこと）が生じないことを保証する温度であり、通常１７５℃である。したがって、この最大保証動作温度以下では、リーク電流による熱暴走が生じてはならない。図３に示す結果から、１７５℃にて熱暴走しないようにするには、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度は６×１０15ｃｍ-3以上であるとよいことがわかる。
【００３７】
次に、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度がｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも小さいことが好ましい理由を、図４を参照して説明する。図４は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度とコレクタ層のピーク不純物濃度との比によるオン電圧ばらつきを示す特性図である。ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度とｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度との比（＝ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度／ｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度）により、オン電圧（Ｖｏｎ）のばらつきが決まる。図４に示すように、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度をｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることにより、オン電圧（Ｖｏｎ）のばらつきを小さくすることができることがわかる。その結果、良品率が改善される。以上、図３，４に示す結果から、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度は、６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることが好ましいことが確認された。
【００３８】
なお、ＦＳ−ＩＧＢＴのターンオフ損失とオン電圧とのトレードオフ関係を良好にすることが必要であることも、広く知られている。このためには、ｐ+コレクタ層１５の最大不純物濃度（ピーク不純物濃度）は、６×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲内、好ましくは６×１０16ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下の範囲内であり、例えば１×１０17ｃｍ-3であることがよい。すなわち、ｐ+コレクタ層１５は、正孔の注入効率が小さい低注入コレクタとしての機能を有し、かつ、前述のようにｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度より１０倍以上高いピーク不純物濃度であって、コレクタ電極８とオーミック接触する表面不純物濃度で形成される必要がある。一方で、ＦＳ−ＩＧＢＴをスイッチング素子として用いる電力変換装置において、スイッチング損失よりも導通損失の低減を優先させるような特殊な用途では、ＩＧＢＴのオン電圧をできるだけ小さくすることがある。このような場合には、例えばｐ+コレクタ層１５の最大不純物濃度を１×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲内とし、かつｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度より１０倍以上のピーク不純物濃度とするとよい。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態にかかる高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴが短絡発生時の素子破壊を抑制する効果を有することについて説明する。一般的にＦＳ−ＩＧＢＴを使用する回路において短絡が生じた場合、ＩＧＢＴに電源電圧が印加された状態でゲートがオンすることがある。このとき、ＩＧＢＴには、ＭＯＳゲートの閾値電圧とゲート電極の電圧との差によって決まる過大な飽和電流、すなわち短絡電流が発生する。この短絡電流と電源電圧との積による電力損失によってＩＧＢＴ内部が発熱し、素子が破壊する。そのため、回路の短絡からＩＧＢＴを保護するために、インバータなどの電力変換装置では、ＩＧＢＴの温度等をモニターすることでＩＧＢＴへの短絡発生を検知し、ＩＧＢＴを安全にオフにするためにゲートに逆バイアスを印加する保護回路を用いることが多い。しかし、ゲートによるターンオフが有効になって短絡電流が完全に遮断されるまで、マイクロ秒のオーダーの時間にわたり短絡電流がＩＧＢＴに流れ込むことは避けられない。この短絡電流、例えば定格電流の２０倍程度の短絡電流がＩＧＢＴに流れ込むと、ＩＧＢＴのＭＯＳゲートからドリフト層に注入される電子量が極めて大量になる。そのため、等価的にドリフト層の表面側の少数キャリアと多数キャリアとが中和され、ドリフト層の空間電荷密度の大きさがドリフト層のドーパントの不純物濃度程度かそれ以下に著しく低下した状態になる。たとえば、１７００Ｖ以上の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴにおいて、十分に高いゲート電圧での使用中における短絡電流は、前述のようなドリフト層の空間電荷密度の大きさが低下する程度にドリフト層に注入される電子量が極めて大量になる場合に相当する。
【００４０】
前述の短絡電流が流れる際のドリフト層中の電界強度分布について、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴと従来の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴとのデバイスシミュレーションによる波形の違いを、図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの短絡発生時のドリフト層内の電界強度分布を示す特性図である。従来の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴの電界強度分布を波形Ａで示す。従来の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴのドリフト層における電界強度分布について、通常のオフ電圧下では、ＦＳ−ＩＧＢＴのメイン接合（ｐベース層とドリフト層とのｐｎ接合）側で高い電界強度のピークが生じる。また、短絡電流が流れる際には、前述したように大量の電子の注入によるドリフト層の空間電荷密度が著しく低下し、その極性が正から負に反転した状態になる。その結果、メイン接合側の電界強度が下がって平坦化し、空間電荷領域のコレクタ層側の領域で電子濃度が非常に高くなり、波形Ａのようにメイン接合側より高いピーク（最大）電界強度を示すようになる。その電界強度がシリコン半導体に固有の絶縁破壊を生じさせる電界強度（臨界電界強度）を超えると、バッファ層のコレクタ接合に近い側でアバランシェ降伏が発生し、素子が破壊する可能性が生じる。
【００４１】
このような短絡時の破壊が生じる条件について、低注入コレクタ層を有するＦＳ−ＩＧＢＴを調べたところ、例えば、ドリフト層とコレクタ層との間のＦＳ層の総不純物量が多いＦＳ−ＩＧＢＴほど破壊し易いことが判明した。そこで、本発明においては、前述の短絡電流が流れる際、ＭＯＳゲートからの大量の電子の注入とともに、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入量を大きくするように、ｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくする層構成にしたところ、前述の短絡時の破壊が減少することが確認された。この層構成を有するＦＳ−ＩＧＢＴについて、デバイスシミュレーションによる短絡動作の解析を行った。本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの電界強度分布を、図２に波形Ｂで示す。その結果、短絡電流が流れるときの電界強度分布は、図２の波形Ｂに示すように、コレクタ側の電界強度が従来の波形Ａに比べて十分小さくなることがわかった。その理由は、以下のように考えられる。ｎＦＳ層１４およびｎ-ドリフト層１のｐ+コレクタ層１５側の総不純物量を従来のＦＳ−ＩＧＢＴよりも少なくすることによって、高電圧印加時に空乏層がコレクタ側に伸びやすくなる。この結果、ｐ+コレクタ層１５と、ｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４と、ｐベース層５とからなるｐｎｐトランジスタの、実効的なｎベース幅が短くなるため、キャリアの輸送効率が大きくなり、ｐ+コレクタ層１５からの正孔注入量が増大する。ｐ+コレクタ層１５から注入された正電荷である正孔は、エミッタ側から注入された負電荷である電子を相殺するので、空間電荷領域が広がり、ｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４で担うことができる電圧が大きくなる。その結果、波形Ｂのように裏面側の電界が緩和されて、アバランシェ降伏の発生が抑制される。
【００４２】
短絡時にｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入量を大きくすることは、短絡発生後にできるだけ早く空間電荷領域を広げ、ｐ+コレクタ層１５との間に残留する電荷中性領域の幅を短時間にて短くし、実効的な電流増幅率αを十分１に近づけることである。短絡時には、ｐベース層５とｎ-ドリフト層１とのｐｎ接合の位置からｐ+コレクタ層１５に向って、空間電荷領域がｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４内に広がる。このとき、前述のように大量の電子がＭＯＳゲートから供給されているために、キャリアである電子と正孔とは相殺され、空間電荷密度の大きさは十分小さくなり、空間電荷領域は高抵抗状態となる。一方、ｎ-ドリフト層１からｎＦＳ層１４に渡って広がる空間電荷領域の先端部の位置は、素子に印加されている電圧と、空間電荷密度をＳｉ基板の深さ方向に積分した電界強度をさらに積分した値により決まる。前述のように、短絡時には電子と正孔とは相殺されているので、空間電荷密度分布はｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４、特にｎＦＳ層１４の不純物濃度（ドナー濃度）分布に敏感に依存するようになる。すなわち、ある一定の印加電圧に対して、ｎＦＳ層１４のドナー濃度がｎ-ドリフト層１のドナー濃度を下回らない範囲で小さくなれば、空間電荷密度の積分値は小さくなり、空間電荷領域の先端部はｐ+コレクタ層１５に向って深くなる。特に短絡が発生した直後の過渡的な期間では、より早く空間電荷領域が広がることになる。このようにして、正孔は短絡発生直後から注入される量が増加し、空間電荷密度の極性の反転は抑えられる。
【００４３】
発明者らの検討により、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度が３×１０15ｃｍ-3以下であれば、上記のように、短絡発生直後に空間電荷領域を早期に広げる効果を奏する程度にｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくすることができることが確認された。さらに、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度が１×１０15ｃｍ-3未満であると、短絡発生直後に空間電荷領域をより早い段階で広げられるので、なお好ましい。このように、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入量を大きくするようにｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくすることにより、実効的な電流増幅率を増加させ、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入を増加させて裏面側の電界強度を緩和させることができる。その結果、アバランシェ降伏の発生が抑制され、短絡破壊を抑えることができる。前述のように、ゲートがオフの状態で定格電圧をＩＧＢＴに印加したときの空乏層端をｎＦＳ層１４の中で止めるには、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度は３×１０14ｃｍ-3以上であるとよい。
【００４４】
短絡発生時に空間電荷領域を早期に広げる効果は、上記のようにｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくするだけではなく、ｎＦＳ層１４の不純物濃度分布も工夫すると、より強い効果を奏するようになる。図７は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。具体的には、例えば、ｎＦＳ層１４の不純物濃度分布を示す分布関数がガウス関数ではなく、ガウス関数よりも空間的な不純物濃度の減衰が急峻である指数関数のようであるとよい。指数関数の場合、最大不純物濃度の位置からその半値の位置までの不純物濃度の減少は、ガウス関数に比べると急激である。言い換えると、十分不純物濃度が小さい位置から最大不純物濃度の位置に向うときの濃度勾配は、指数関数の方が緩やかになる。つまり、ｎＦＳ層１４の不純物濃度が、ｎ-ドリフト層１との境界からｐ+コレクタ層１５に向って増加するときの濃度勾配は、指数関数分布の方が緩やかになる。これにより、短絡発生時には、前述の空間電荷密度の積分値が小さくなり、より早くに空間電荷領域を広げることができる。
【００４５】
実際のｎＦＳ層１４の不純物濃度分布は、厳密に指数関数分布ではなくとも、最大値からの不純物濃度の減衰がガウス関数に比べて急峻であり、それでいてｎ-ドリフト層１との境界からｐ+コレクタ層１５に向って増加するときの濃度勾配が緩やかであればよい。このようなｎＦＳ層１４の不純物濃度分布を実現するために、ｎＦＳ層１４を熱拡散にて形成する際のｎ型ドーパントとして、通常用いられるリンや砒素よりも拡散係数の大きいセレンや硫黄を用いることが好ましいことを、発明者らは見出した。ｎ型ドーパントとして通常用いられるリンや砒素の熱拡散による不純物濃度分布はガウス関数でよくあらわされる。これに対して、図７に示すように、ｎ型ドーパントとしてセレンや硫黄を用いたときのｎＦＳ層１４の不純物濃度分布は、Ｓｉ基板の裏面から１０μｍ程度深い位置よりもさらに深い部分において、いわゆる裾を引く部分（裾部分１６）を形成できることが明らかになった。この裾部分１６とは、Ｓｉ基板の裏面から深さ１０μｍ程度の位置を境に（以下、単に境界位置とする）、それより深い部分（ｎ-ドリフト層１との境界である深さ３０μｍ程度まで）の濃度勾配の大きさが、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度の位置から境界位置までの濃度勾配よりも、段階的（あるいは不連続）に小さく緩やかになっている領域のことである。図７中の一点破線による延長線の濃度勾配の大きさと比較すると、裾部分１６の濃度勾配の大きさが小さくなっていることがわかる。この裾部分１６は、特にセレンの場合に顕著に見られ、リンや砒素といった、Ｓｉにおける置換型原子拡散機構を有する原子の熱拡散による不純物濃度分布には見られない構造である。裾部分１６が形成される理由は、次のとおりである。セレンや硫黄は格子間原子拡散機構が原子拡散に支配的に寄与するため、注入されたセレンや硫黄の原子のうち相当の割合がＳｉ基板の奥深くに拡散する。このセレンや硫黄の拡散により不純物濃度分布の裾部分１６が形成されると推察される。裾部分１６の存在により、空間電荷密度の積分値は緩やかに増加することとなり、その結果、短絡発生後の早期において空間電荷領域を広げることが可能となる。なお、本発明においてｎＦＳ層１４を形成するためのドーパントはセレンや硫黄に限らず、Ｓｉにおいて格子間原子拡散機構が支配的なドナー原子であればよい。具体的には、例えばＬｉ（リチウム）、酸素、水素なども、Ｓｉへの導入と拡散の条件によって、セレンや硫黄と同様の効果により図７のようなドーピング濃度分布を示すため好ましい。
【００４６】
前述のように、コレクタ側でのアバランシェ降伏による破壊が起こらないように、セレンなどを用いてピーク不純物濃度を低くし深く拡散させ、かつ総不純物量の少ないｎＦＳ層１４を形成したＦＳ−ＩＧＢＴは、その代償として熱暴走破壊が生じ易い。このため、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴでは、短絡破壊を起こさないようなセレンによるピーク不純物濃度が低くて深いｎＦＳ層１４とするとともに、さらにｎＦＳ層１４とｐ+コレクタ層１５との間にピーク不純物濃度が制御されたｎ+バッファ層１３を設けた構造とする。ｎ+バッファ層１３を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔の注入を抑え込み、熱暴走破壊をも防ぐことができる。すなわち、ピーク不純物濃度が制御されたｎ+バッファ層１３を有するＦＳ−ＩＧＢＴとすることにより、短絡破壊と熱暴走破壊との両方を防ぐことができる。このｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度は、図３，４を参照して前述したとおりである。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態にかかるトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴの製造方法について、本発明に係わるプロセスを中心に説明する。まず、例えば厚さ６２５μｍで、比抵抗８０ΩｃｍのＦＺ−ｎ型のＳｉ基板を用意する。次に、ｎ-ドリフト層１となるＳｉ基板のおもて面に、トレンチ１１が並ぶ方向と直交する方向に延びるストライプ状の平面レイアウトで複数のトレンチ１１を形成する。次に、トレンチ１１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１０を形成し、トレンチ１１内部のゲート絶縁膜１０の内側に埋め込むように、ポリシリコンによるゲート電極７を堆積する。
【００４８】
次に、ゲート電極７のパターニング後、ゲート電極７をマスクとしたセルフアライメントにより例えばボロンをイオン注入してｐベース層５を形成する。次に、ｐベース層５内に選択的に砒素をイオン注入してｎ+エミッタ領域４を形成する。また、ｐベース層５内に選択的にｐ型ドーパントをイオン注入し、ｎ+エミッタ領域４に接するようにｐ+コンタクト領域６を形成する。次に、Ｓｉ基板のおもて面に層間絶縁膜を形成する。そして、この層間絶縁膜に、ｐベース層５表面とｎ+エミッタ領域４表面とに跨るエミッタ電極９用のコンタクトホールを形成する。
【００４９】
次に、Ｓｉ基板の裏面を、研削、研磨、エッチングなどを組み合わせたバックグラインド技術により、Ｓｉ基板の厚さを所望の厚さ、例えば２００μｍ程度に薄くする。次に、Ｓｉ基板の薄く削った裏面にｎＦＳ層１４を形成するために、セレン（または硫黄）をイオン注入する。次に、Ｓｉ基板の薄く削った裏面にｎ+バッファ層１３を形成するためにリンをイオン注入する。さらに、Ｓｉ基板の薄く削った裏面にｐ+コレクタ層１５を形成するためにボロンをイオン注入する。ｐ+コレクタ層１５の厚さは、ｎ+バッファ層１３の厚さよりも浅く、例えば０．２μｍから１．０μｍの範囲内である。次に、Ｓｉ基板の裏面にｎＦＳ層１４、ｎ+バッファ層１３およびｐ+コレクタ層１５の３層を形成するために注入した各ドーパントを同時に活性化させる。具体的には、７５０℃から９５０℃の範囲において、例えば８３０℃の温度で、０．５時間から５時間の範囲内の例えば２時間の熱処理を行い、上記３層を形成するために注入した各ドーパントを同時に活性化させることにより効率的なプロセスとすることができる。
【００５０】
次に、Ｓｉ基板のおもて面に、アルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）電極膜（金属電極膜）をスパッタリングにより形成する。そして、Ａｌ−Ｓｉ電極膜にパターニングしてエミッタ電極９となるＡｌ−Ｓｉ電極膜と、ゲートパッドとなるＡｌ−Ｓｉ電極膜とを形成した後、３８０℃の温度で１時間の熱処理を行う。次に、Ｓｉ基板のおもて面側にポリイミド膜等の表面保護膜（図示せず）を被着した後、Ａｌ−Ｓｉ電極膜を形成するための熱処理によりＳｉ基板の裏面に形成された酸化膜を除去し、ｐ+コレクタ層１５の表面にアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などの金属膜の積層からなるコレクタ電極８を形成する。その後、このウエハ（Ｓｉ基板）を各チップ状のＩＧＢＴにダイシングカットして、図１に示すＦＳ−ＩＧＢＴチップが完成する。このＦＳ−ＩＧＢＴチップは、おもて面側のｎ+エミッタ領域４に接するＡｌ−Ｓｉ電極膜と、ゲート電極７に電気的に接するＡｌ−Ｓｉ電極膜とに、Ａｌワイヤが超音波ボンディングによりそれぞれ外部接続端子に接続される。また、ＦＳ−ＩＧＢＴチップは、裏面側のコレクタ電極８がはんだ付けにより銅基板（不図示）などの放熱基板に固着される。その後、ＦＳ−ＩＧＢＴチップがパッケージされてＦＳ−ＩＧＢＴの半導体装置が完成する。
【００５１】
なお、これまで述べてきた各層の不純物濃度および厚さ（あるいは拡散深さ）は、例えば周知の拡がり抵抗測定器を用いて拡がり抵抗を測定し、その値から換算することで取得することができる。
【００５２】
以上の実施の形態によれば、ドーパントとしてセレンや硫黄を用いて、深くて低不純物濃度でありかつ濃度勾配が緩やかなｎＦＳ層を形成することにより、短絡発生時にコレクタ側から注入される正孔の量が多くなり、コレクタ側での電界強度の上昇が抑えられる。また、ｎＦＳ層とｐ+コレクタ層との間に、リンのイオン注入によって所定のピーク不純物濃度を有するｎ+バッファ層を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔のｎＦＳ層への注入を抑えることができる。したがって、短絡発生時の素子破壊耐量を大きくすることと熱暴走破壊を抑制することとを両立させることができる。また、実施の形態によれば、ｎ+バッファ層のピーク不純物濃度をｐ+コレクタ層のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることにより、オン電圧ばらつきを減少させることができる。
【００５３】
以上において本発明は、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴを例に説明したが、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。具体的には、本発明は、例えば、プレーナゲート型ＦＳ−ＩＧＢＴにも適用することが可能である。また、本発明は、耐圧（定格電圧）１７００Ｖ以上のＦＳ−ＩＧＢＴについて説明したが、上述した実施の形態に限らず、本発明は定格電圧が６００Ｖを超える耐圧の素子にも適用することができる。短絡発生時に存在する正孔や電子の濃度よりもドリフト層の不純物濃度が同等か小さくなるような、１２００Ｖ以上の定格電圧、さらには１７００Ｖ以上の定格電圧の素子に適用する場合、上記のように裏面のコレクタ層近傍における電界強度の増加を抑える効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、汎用および電気自動車用のインバータやＡＣサーボ、無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業用機器分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野に使用されるパワー半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ｎ-ドリフト層
４  ｎ+エミッタ領域
５  ｐベース層
６  ｐ+コンタクト領域
７  ゲート電極
８  コレクタ電極
９  エミッタ電極
１０  ゲート絶縁膜
１１  トレンチ
１２  トレンチＭＯＳ構造
１３  ｎ+バッファ層
１４  ｎＦＳ層
１５  ｐ+コレクタ層
１６  裾部分
【図１】
2012157772.tif 000003
【図２】
2012157772.tif 000004
【図３】
2012157772.tif 000005
【図４】
2012157772.tif 000006
【図５】
2012157772.tif 000007
【図６】
2012157772.tif 000008
【図７】
2012157772.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月13日(2012.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面の表面層に形成された第２導電型ベース層と、
前記第２導電型ベース層の、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側の表面層に形成された第１導電型エミッタ層と、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面に設けられ、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に接するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に対向するゲート電極と、
前記第１導電型ドリフト層、前記第２導電型ベース層、前記第１導電型エミッタ層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極からなるＭＯＳゲート構造と、
前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、
前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、
前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた第１導電型バッファ層と、
を備え、
前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度は、前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、
前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量は、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、
前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、
前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、
前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度は、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０１５ｃｍ−３以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布は、前記第２導電型コレクタ層側から前記第１導電型ドリフト層側へ急峻に不純物濃度が低くなるような第１濃度勾配を有し、かつ、前記第１濃度勾配を有する部分よりも前記第１導電型ドリフト層側の深い部分に、前記第１濃度勾配よりも前記第１導電型ドリフト層側へ緩やかに不純物濃度が低くなるような第２濃度勾配を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度が６×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１導電型フィールドストップ層のドーパントがセレンまたは硫黄であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１導電型バッファ層のドーパントがリンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度が３×１０１４ｃｍ−３以上３×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１導電型フィールドストップ層の濃度勾配の大きさが、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度の位置から前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に向って段階的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
定格電圧が１２００Ｖ以上であることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
【請求項９】
第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に設けられた少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜および前記第１導電型半導体基体からなるＭＯＳゲート構造と、前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型バッファ層と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に前記ＭＯＳゲート構造を形成するＭＯＳゲート構造形成工程と、
前記第１導電型半導体基体の他方の主面を研削し、前記第１導電型半導体基体を所定の厚さまで薄くする薄板化工程と、
前記第１導電型半導体基体の研削した面に、前記第１導電型フィールドストップ層、前記第１導電型バッファ層および前記第２導電型コレクタ層を形成するためのそれぞれのドーパントをイオン注入する注入工程と、
前記第１導電型半導体基体の研削した面にイオン注入された複数の前記ドーパントを一括して電気的に活性化させるための熱処理を行う活性化工程と、
前記第１導電型半導体基体の一方の主面に金属電極膜をスパッタリングにより形成し熱処理を行う電極膜形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記注入工程では、複数の前記ドーパントとして、前記第１導電型フィールドストップ層を形成するためのセレン、前記第１導電型バッファ層を形成するためのリン、前記第２導電型コレクタ層を形成するためのボロンを順にイオン注入し、
前記活性化工程では、前記熱処理によって複数の前記ドーパントを同時に活性化させることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度が前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量が、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度が、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０１５ｃｍ−３以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下となるように、前記注入工程と前記活性化工程とを行うことを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体装置の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月13日(2013.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、基板裏面側にフィールドストップ層を設けた半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の高速スイッチング特性および電圧駆動特性と、バイポーラトランジスタの低オン電圧特性とをワンチップに構成したパワー素子である。
【０００３】
ＩＧＢＴは、ＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード）などと共に用いられることも多く、汎用および電気自動車用のインバータや交流（ＡＣ）サーボ、無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業用機器分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野へも拡大している。さらに、次世代型へ改良された素子として、よりオン電圧の低いＩＧＢＴが開発され、応用装置の低損失化や高効率化が図られている。
【０００４】
そのようなＩＧＢＴとして、従来の高価なエピタキシャルウエハに代えて、安価なＦＺ（Ｆｌｏａｔ  Ｚｏｎｅ）ウエハからなるＦＺ−ｎ型シリコン（Ｓｉ）基板を用いた素子が開発されている。さらに、ＩＧＢＴとして、トレンチ型のＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造（以下、トレンチＭＯＳ構造とする）を備えたフィールドストップ（ＦＳ）型ＩＧＢＴ（以下、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴとする）が公知である。図５は、従来のＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。
【０００５】
図５に示すように、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴは、ｎ-ドリフト層１となるＳｉ基板のおもて面側に複数のトレンチ１１を備える。トレンチ１１中には、トレンチ１１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１０が設けられ、ゲート絶縁膜１０の内側にゲート電極７が設けられている。Ｓｉ基板のトレンチ１１間に挟まれた部分にはｐベース層５が設けられ、Ｓｉ基板のおもて面側にゲート電極７、ゲート絶縁膜１０およびｐベース層５からなるトレンチＭＯＳ構造１２が構成されている。
【０００６】
さらに、ｐベース層５の表面層には、ｎ+エミッタ領域４およびｐ+コンタクト領域６が選択的に設けられている。ｎ+エミッタ領域４は、トレンチ１１側面の上側（開口部側）端に接するように配置される。ｎ+エミッタ領域４とｐベース層５（ｐ+コンタクト領域６）との双方にオーミック接触するエミッタ電極９が設けられている。Ｓｉ基板の裏面側には、ｐ+コレクタ層３、コレクタ電極８が設けられている。ｐ+コレクタ層３とｎ-ドリフト層１との間にフィールドストップ（ＦＳ）層２が設けられている。
【０００７】
ｎ-ドリフト層１となるＦＺ−ｎ型Ｓｉ基板を用いることにより、ウエハコストを低減させることができる。また、ＦＳ層２を設けることにより、Ｓｉ基板の厚さをノンパンチスルー（ＮＰ）型ＩＧＢＴよりも薄くてかつ耐圧に応じた厚さにすることができ、オン電圧を低減させることができる。また、ｐ+コレクタ層３を低ドーズ量で深さの浅い低注入コレクタとすることにより、電子線照射などによるライフタイム制御を行なわずに高速にターンオフさせることができる。
【０００８】
このように、半導体基板のおもて面に高密度に配置したトレンチ１１の内壁にＭＯＳゲート構造を設けた構成のトレンチＭＯＳ構造１２と、半導体基板の裏面にＦＳ層２を設けた構成のＦＳ−ＩＧＢＴとを組み合わせたトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴが市場で主流のデバイスとなっている。
【０００９】
前述のように、図５に示すトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴは、ＦＳ層２を設けることにより、Ｓｉ基板（ウエハ）の厚さを薄くしてオン電圧を低減させることができる。しかし、薄いウエハは製造プロセス中に割れ易く良品率が悪化し易いため、製造プロセスへの投入時には薄くされておらず厚いままのウエハが用いられる。その後のプロセスで、ウエハのおもて面側にトレンチＭＯＳ構造１２を形成した後、耐圧に必要な厚さまでウエハを薄くする。ウエハを薄くするプロセスとして、ウエハを裏面から研削やエッチングなどにより薄くするバックグラインドプロセスが提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
【００１０】
また、ＦＳ−ＩＧＢＴの耐量を向上させる方法として、ＦＳ層またはバッファ層（不図示）を形成するためのドーパントにリン（Ｐ）を用いて、低不純物濃度でウエハ裏面側から深い拡散層と、高不純物濃度でウエハ裏面側から浅い拡散層とで構成された二段のバッファ層（ＦＳ層）を形成する方法が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。下記特許文献２では、二段のバッファ層とすることにより、ターンオフ時に発生し易いドレイン電圧およびドレイン電流の振動の発生を防止することができる。また、ウエハを薄くするためのバックグラインド時の研磨量の精度に依存する特性への悪影響を防止することができる。
【００１１】
さらに、ＦＳ−ＩＧＢＴを形成する方法として、ＦＳ層を形成するためのドーパントにリンではなくリンよりも拡散定数の大きいセレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）などのｎ型不純物を用いて、効率的にＦＳ層を低不純物濃度で深い拡散層とする方法が提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。
【００１２】
また、高耐圧で、短絡電流遮断時の安全動作領域の耐量を向上させたＦＳ−ＩＧＢＴとして、ドリフト層と空乏層との幅の比と、コレクタ層とバッファ層との不純物濃度の比をそれぞれ規定した構造を備えたＦＳ−ＩＧＢＴが提案されている（例えば、下記特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２９９３４６号公報（０００８段落、図１）
【特許文献２】特開２００２−２６１２８２号公報（００１８段落〜００２９段落）
【特許文献３】特表２００２−５２０８８５号公報（００１０段落）
【特許文献４】特開２０１０−５６１３４号公報（００１７段落〜００２５段落）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記特許文献２には、素子破壊耐量を向上させることができる層構造については記載されているが、熱暴走破壊を防止するための層構造やオン電圧のばらつきを抑制するための層構造についてまでは言及されていない。また、上記特許文献４では、ｐ+コレクタ層からｎバッファ層への正孔の注入効率が大きい層構成とすることにより短絡電流遮断時の安全動作領域の耐量を向上させている。正孔の注入効率が大きくなるということは、逆に漏れ電流が増加する虞があり、熱暴走破壊に至り易いことも示唆される。しかしながら、上記特許文献４では、熱暴走破壊に対して抑制効果のある層構成について明らかにされていない。
【００１５】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、短絡発生時の素子破壊耐量の向上と熱暴走破壊の抑制とを両立させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、オン電圧ばらつきをも減少させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面の表面層に形成された第２導電型ベース層と、前記第２導電型ベース層の、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側の表面層に形成された第１導電型エミッタ層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面に設けられ、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して、前記第１導電型エミッタ層、前記第２導電型ベース層および前記第１導電型ドリフト層に対向するゲート電極と、前記第１導電型ドリフト層、前記第２導電型ベース層、前記第１導電型エミッタ層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極からなるＭＯＳゲート構造と、前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた第１導電型バッファ層と、を備え、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度は、前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量は、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度は、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布は、前記第２導電型コレクタ層側から前記第１導電型ドリフト層側へ急峻に不純物濃度が低くなるような第１濃度勾配を有し、かつ、前記第１濃度勾配を有する部分よりも前記第１導電型ドリフト層側の深い部分に、前記第１濃度勾配よりも前記第１導電型ドリフト層側へ緩やかに不純物濃度が低くなるような第２濃度勾配を有することを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度が６×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層のドーパントがセレンまたは硫黄であることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型バッファ層のドーパントがリンであることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度が３×１０14ｃｍ-3以上３×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層の濃度勾配の大きさが、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度の位置から前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に向って段階的に小さくなることを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、定格電圧が１２００Ｖ以上であることを特徴とする。
【００２０】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第１導電型半導体基体からなる第１導電型ドリフト層と、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に設けられた少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜および前記第１導電型半導体基体からなるＭＯＳゲート構造と、前記第１導電型半導体基体の他方の主面に設けられた第２導電型コレクタ層と、前記第１導電型ドリフト層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型ドリフト層よりも不純物濃度が高い第１導電型フィールドストップ層と、前記第１導電型フィールドストップ層と前記第２導電型コレクタ層との間に設けられた、前記第１導電型フィールドストップ層よりも不純物濃度が高い第１導電型バッファ層と、を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、前記第１導電型半導体基体の一方の主面側に前記ＭＯＳゲート構造を形成する（ＭＯＳゲート構造形成工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の他方の主面を研削し、前記第１導電型半導体基体を所定の厚さまで薄くする（薄板化工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の研削した面に、前記第１導電型フィールドストップ層、前記第１導電型バッファ層および前記第２導電型コレクタ層を形成するためのそれぞれのドーパントをイオン注入する（注入工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の研削した面にイオン注入された複数の前記ドーパントを一括して電気的に活性化させるための熱処理を行う（活性化工程）。次に、前記第１導電型半導体基体の一方の主面に金属電極膜をスパッタリングにより形成し熱処理を行う（電極膜形成工程）。また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記注入工程では、複数の前記ドーパントとして、前記第１導電型フィールドストップ層を形成するためのセレン、前記第１導電型バッファ層を形成するためのリン、前記第２導電型コレクタ層を形成するためのボロンを順にイオン注入し、前記活性化工程では、前記熱処理によって複数の前記ドーパントを同時に活性化させることを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度が前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度より高く、前記第１導電型フィールドストップ層のネットドーピング濃度と前記第１導電型ドリフト層のネットドーピング濃度との総量が、定格電圧の印加によって前記第１導電型ドリフト層および前記第１導電型フィールドストップ層を広がる空乏層の空乏層端が前記第１導電型フィールドストップ層の内部にあるような値を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の不純物濃度分布が、前記第１導電型半導体基体の他方の主面側から一方の主面側に向って低くなるような濃度勾配を有し、前記第１導電型フィールドストップ層の深さが２０μｍ以上であり、前記第１導電型バッファ層の最大不純物濃度が、前記第１導電型フィールドストップ層の最大不純物濃度より高い６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつ前記第２導電型コレクタ層の最大不純物濃度の１／１０以下となるように、前記注入工程と前記活性化工程とを行うことを特徴とする。
【００２２】
上述した発明によれば、ドーパントとしてセレンや硫黄を用いて、深くて低不純物濃度でありかつ濃度勾配が緩やかな第１導電型フィールドストップ層を設けることにより、短絡発生時にコレクタ側から注入される正孔の量が多くなり、コレクタ側での電界強度の上昇が抑えられる。また、第１導電型フィールドストップ層と第２導電型コレクタ層との間に、リンのイオン注入によって所定のピーク不純物濃度を有する第１導電型バッファ層を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔の注入を抑えることができる。また、上述した発明によれば、第１導電型バッファ層のピーク不純物濃度を第２導電型コレクタ層のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることにより、オン電圧ばらつきを減少させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、短絡発生時に空間電荷領域を早期に広げることで素子破壊耐量を大きくするとともに、正孔の注入に起因する熱暴走破壊の抑制を両立させることができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、オン電圧ばらつきをも減少させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの短絡発生時のドリフト層内の電界強度分布を示す特性図である。
【図３】図３は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度と許容最大接合温度との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度とコレクタ層のピーク不純物濃度との比によるオン電圧ばらつきを示す特性図である。
【図５】図５は、従来のＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。
【図７】図７は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。以下の説明では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型として説明するが、本発明は第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としても同様に成り立つ。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。また、半導体のｐ型あるいはｎ型を決める不純物をドーパントと呼ぶこともある。不純物濃度については、特に断りが無ければ、電気的に活性化されたドーパントによる正味のネットドーピング濃度を示す。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２６】
（実施の形態）
本発明の実施の形態にかかるフィールドストップ型ＩＧＢＴ（ＦＳ−ＩＧＢＴ）について、例えば耐圧１７００Ｖのトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴを例に図１，６などを参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す要部断面図である。図６は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。図６には、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴを構成するシリコン（Ｓｉ）基板（半導体基体）の裏面からｎ-ドリフト層１にかけての不純物濃度分布を示す（図７についても同様）。
【００２７】
図１に示すトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴは、例えば安価なＦＺウエハからなるＦＺ−ｎ型のＳｉ基板を用いて構成される。Ｓｉ基板の比抵抗は、例えば８０Ωｃｍ〜１３０Ωｃｍ程度であってもよい。最終仕上がりのＳｉ基板の厚さは、例えば１６０μｍ〜２１０μｍ程度であってもよい。最終仕上がりのＳｉ基板の厚さとは、ＦＳ−ＩＧＢＴ完成後の製品を構成するＳｉ基板の厚さである。Ｓｉ基板内部の層構造は、次のとおりである。ｎ-ドリフト層１となるＳｉ基板の一方の主面（おもて面）には、複数のトレンチ１１が所定間隔で設けられている。
【００２８】
トレンチ１１内には、トレンチ１１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１０が設けられ、ゲート絶縁膜１０の内側にゲート電極７が設けられている。Ｓｉ基板のトレンチ１１間に挟まれた部分にはｐベース層５が設けられ、Ｓｉ基板のおもて面側にゲート電極７、ゲート絶縁膜１０およびｐベース層５などからなるトレンチ型のＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造（トレンチＭＯＳ構造）１２が構成されている。複数のトレンチ１１間の各ｐベース層５の表面層には、ｎ+エミッタ領域４およびｐ+コンタクト領域６が選択的に設けられている。
【００２９】
ｎ+エミッタ領域４は、トレンチ１１側面の上側（開口部側）端に接するように配置される。ｐ+コンタクト領域６は、ｎ+エミッタ領域４に接するように配置される。ｎ+エミッタ領域４の表面とｐベース層５（またはその表面層のｐ+コンタクト領域６）の表面とにオーミック接触するエミッタ電極９が設けられている。エミッタ電極９は、層間絶縁膜によってゲート電極７と電気的に絶縁されている。Ｓｉ基板の裏面（他方の主面）側には、ｐ+コレクタ層１５とこのｐ+コレクタ層１５の表面にオーミック接触するコレクタ電極８とが設けられている。
【００３０】
ｐ+コレクタ層１５のｎ-ドリフト層１側には、本発明に特有のピーク不純物濃度（不純物濃度分布の最大不純物濃度）を有するｎ+バッファ層１３と、ｎ+バッファ層１３を挟んでｎ-ドリフト層１側に深いｎフィールドストップ（ＦＳ）層１４とからなるｎ型層構造が本発明の特徴として構成されている。Ｓｉ基板（あるいはＩＧＢＴチップ）の裏面からの深さ方向におけるｐ+コレクタ層１５、ｎ+バッファ層１３、ｎＦＳ層１４およびｎ-ドリフト層１の不純物濃度分布については、図６に示す。
【００３１】
ｎＦＳ層１４を形成するためのイオン注入のドーパントには、同じ温度における拡散係数がリンよりも大きい例えばセレンあるいは硫黄を用いるのが好ましく、より好ましくはセレンを用いるのがよい。ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度は、例えば３×１０14ｃｍ-3から３×１０15ｃｍ-3の範囲内であることが好ましい。ｎＦＳ層１４の拡散深さは、ｎＦＳ層１４とｎ-ドリフト層１との境界がＳｉ基板の裏面から例えば２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。このような最大不純物濃度および拡散深さの範囲内となる条件にて、ｎＦＳ層１４を形成するための例えばセレンのイオン注入およびその後の熱拡散処理を行う。例えば、Ｓｉ基板の裏面からｎＦＳ層１４とｎ-ドリフト層１との境界までの深さを、３０μｍとしてもよい。この場合、Ｓｉ基板の裏面から３０μｍの深さに至る不純物濃度分布は、Ｓｉ基板の裏面側の表面近傍でｎ型不純物濃度が最も高い値（例えば３×１０15ｃｍ-3）を示し、Ｓｉ基板の裏面側から深さ方向へ深くなるにしたがってｎ型不純物濃度が下がるような濃度勾配を有する。
【００３２】
まず、素子の熱暴走破壊を防ぐために、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度となる部分の不純物濃度およびＳｉ基板裏面からの拡散深さは、少なくとも、ｎＦＳ層１４の総不純物量とｎ-ドリフト層１の総不純物量との合計値が以下の関係を満たすようにする。ゲート電極７にゼロ電圧もしくは負電圧が印加されたオフの状態で、このＦＳ−ＩＧＢＴに定格電圧を印加した時に、ｎ-ドリフト層１とｎＦＳ層１４とに空乏層が広がる。このとき、空乏層におけるｎＦＳ層１４の総不純物量とｎ-ドリフト層１の総不純物量との合計値は、空乏層の先端部（空乏層端）がｎＦＳ層１４の内部にあるような値、すなわち空乏層の広がりをｎＦＳ層１４の内部で止めるに足りる値となるようにする。ここで総不純物量（あるいは不純物総量）とは、ある層の不純物濃度を、深さ方向（半導体基板のおもて面から垂直に裏面に向う方向、あるいはその逆向きの方向のこと）に積分した値である。
【００３３】
具体的には、空乏層におけるｎＦＳ層１４の総不純物量とｎ-ドリフト層１の総不純物量との合計値とは、空乏層が広がっている領域において、ｐベース層５とｎ-ドリフト層１とのｐｎ接合の位置（深さ）からｎ-ドリフト層１とｎＦＳ層１４との境界位置までｎ-ドリフト層１の不純物濃度を深さ方向に沿って積分した値と、ｎ-ドリフト層１とｎＦＳ層１４とが交差する位置から空乏層端の位置まで、ｎＦＳ層１４の不純物濃度を深さ方向に沿って積分した値との合計値のことである。さらに、定格電圧を印加した時に広がる空乏層の空乏層端は、ｐ+コレクタ層１５に達しないようにするとともに、ｐ+コレクタ層１５と空乏層端との距離をある程度（例えば３μｍ以上）離すようにする。このようにｐ+コレクタ層１５と空乏層端との距離を確保することにより、空乏層への正孔の注入を抑えることができる。以上のように、素子の熱暴走破壊を防ぐためには、まずゲート電極７にゼロ電圧もしくは負電圧が印加されたオフの状態で素子に電圧が印加されたときに生じる空乏層への正孔の注入を抑えることが大事である。そのためには、少なくとも定格電圧を印加した時の空乏層端は、ｎＦＳ層１４の中にあることが好ましい。
【００３４】
Ｓｉ基板裏面から深さ方向に深く、かつｐ+コレクタ層１５側から裏面から深さ方向に徐々に不純物濃度が低くなる濃度勾配を有するｎＦＳ層１４を設けることにより、従来の幅の狭い（深さの浅い）ｎＦＳ層を設けた場合に比べて、定格電圧印加時に広がる空乏層端の電界強度分布の電界強度減衰率をなだらかにすることができる。そのため、ｎＦＳ層１４は、ターンオフ時に発生し易い電圧波形または電流波形の振動を抑えたり、電圧波形または電流波形の振幅を小さくしたりする機能を有する。また、ｎＦＳ層１４の形成にあたり、ドーパントとしてセレンや硫黄を用いてｎＦＳ層１４となる２０μｍ以上の深い拡散層を形成することにより、次の効果が得られる。半導体基板（ウェハ）へのドーパントのイオン注入時に、注入面に存在する数μｍ程度の大きさのパーティクルがイオン注入の影となってイオンを遮蔽し、半導体基板内にイオンが注入されない欠陥領域が形成される場合がある。本発明のようにドーパントとしてセレンや硫黄を用いてｎＦＳ層１４となる２０μｍ以上の深い拡散層を形成することにより、パーティクルの大きさの数倍以上の深さにわたってこれらのドーパントが拡散する。そのため、セレンや硫黄の横方向拡散（基板の深さ方向に直交する方向への拡散）により、パーティクルによってイオン注入が遮蔽された領域にもドーパントが拡散する。したがって、パーティクルによって生じるイオン注入の注入むらを、耐圧や漏れ電流などの諸特性が劣化しない程度に小さくすることができる。さらに、イオン注入のドーパントとして用いるセレンは、ピーク不純物濃度を従来のイオン注入でドーパントとして用いたリンよりも低くすることができる。その結果、短絡発生時にコレクタ側から注入される正孔の量が多くなり、コレクタ側での電界強度の上昇が抑えられる。したがって、短絡発生時の素子破壊を抑制することができる。
【００３５】
さらに、本発明では、以下に説明するように、深いｎＦＳ層１４をセレンのイオン注入で形成するとともに、ｎＦＳ層１４とｐ+コレクタ層１５との間に本発明に特有のリンのイオン注入によるｎ+バッファ層１３を設けた構成にする。後述するように、短絡発生時の素子破壊を抑制するためには、セレンのようにｎＦＳ層１４の不純物濃度が全体としてより低くなる濃度勾配を有することが好ましい。その理由は、次のとおりである。ｎＦＳ層１４の不純物濃度を、前述のようにゲートがオフの状態で定格電圧を印加したときの空乏層端がｎＦＳ層１４の内部にあるようにしたとしても、ｐ+コレクタ層１５近傍のｎＦＳ層１４のピーク不純物濃度も低くなる。そのため、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入効率が高くなって漏れ電流が大きくなり、熱暴走破壊の可能性が高まることが問題となる。本発明のように、ｎＦＳ層１４とｐ+コレクタ層１５との間に、さらにリンのイオン注入によるｎ+バッファ層１３を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔の注入を抑え込むことができるからである。このｎ+バッファ層１３には、リン以外では砒素（Ａｓ）を用いることも可能である。また、ｎＦＳ層１４を形成するｎ型不純物としては、前述のように、セレンを用いる他に硫黄を用いることもできる。
【００３６】
ｎ+バッファ層１３は、例えば、厚さが０．５μｍ〜３．０μｍで、ピーク不純物濃度が少なくとも６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも１／１０以下の小さいピーク不純物濃度になるようにリンのイオン注入により形成されることが好ましい。まず、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度が６×１０15ｃｍ-3以上であることが好ましい理由を、図３を参照して説明する。図３は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度（ｃｍ-3）と許容最大接合温度（℃）との関係を示す特性図である。最大接合温度とは、ｎ+バッファ層１３とｐ+コレクタ層１５とのｐｎ接合部において許容される最大接合温度（以下、許容最大接合温度とする）である。ｎ+バッファ層１３は、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入を抑制する機能を有する。図３に示すように、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度が６×１０15ｃｍ-3以上のとき、許容最大接合温度は１７５℃以上になる。実際に素子を使用するときの最大保証動作温度は、その温度以下でリーク電流による熱暴走（リーク電流による温度上昇がさらにリーク電流を増加させる正帰還のこと）が生じないことを保証する温度であり、通常１７５℃である。したがって、この最大保証動作温度以下では、リーク電流による熱暴走が生じてはならない。図３に示す結果から、１７５℃にて熱暴走しないようにするには、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度は６×１０15ｃｍ-3以上であるとよいことがわかる。
【００３７】
次に、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度がｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも小さいことが好ましい理由を、図４を参照して説明する。図４は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴのバッファ層のピーク不純物濃度とコレクタ層のピーク不純物濃度との比によるオン電圧ばらつきを示す特性図である。ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度とｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度との比（＝ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度／ｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度）により、オン電圧（Ｖｏｎ）のばらつきが決まる。図４に示すように、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度をｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることにより、オン電圧（Ｖｏｎ）のばらつきを小さくすることができることがわかる。その結果、良品率が改善される。以上、図３，４に示す結果から、ｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度は、６×１０15ｃｍ-3以上であり、かつｐ+コレクタ層１５のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることが好ましいことが確認された。
【００３８】
なお、ＦＳ−ＩＧＢＴのターンオフ損失とオン電圧とのトレードオフ関係を良好にすることが必要であることも、広く知られている。このためには、ｐ+コレクタ層１５の最大不純物濃度（ピーク不純物濃度）は、６×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲内、好ましくは６×１０16ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下の範囲内であり、例えば１×１０17ｃｍ-3であることがよい。すなわち、ｐ+コレクタ層１５は、正孔の注入効率が小さい低注入コレクタとしての機能を有し、かつ、前述のようにｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度より１０倍以上高いピーク不純物濃度であって、コレクタ電極８とオーミック接触する表面不純物濃度で形成される必要がある。一方で、ＦＳ−ＩＧＢＴをスイッチング素子として用いる電力変換装置において、スイッチング損失よりも導通損失の低減を優先させるような特殊な用途では、ＩＧＢＴのオン電圧をできるだけ小さくすることがある。このような場合には、例えばｐ+コレクタ層１５の最大不純物濃度を１×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲内とし、かつｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度より１０倍以上のピーク不純物濃度とするとよい。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態にかかる高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴが短絡発生時の素子破壊を抑制する効果を有することについて説明する。一般的にＦＳ−ＩＧＢＴを使用する回路において短絡が生じた場合、ＩＧＢＴに電源電圧が印加された状態でゲートがオンすることがある。このとき、ＩＧＢＴには、ＭＯＳゲートの閾値電圧とゲート電極の電圧との差によって決まる過大な飽和電流、すなわち短絡電流が発生する。この短絡電流と電源電圧との積による電力損失によってＩＧＢＴ内部が発熱し、素子が破壊する。そのため、回路の短絡からＩＧＢＴを保護するために、インバータなどの電力変換装置では、ＩＧＢＴの温度等をモニターすることでＩＧＢＴへの短絡発生を検知し、ＩＧＢＴを安全にオフにするためにゲートに逆バイアスを印加する保護回路を用いることが多い。しかし、ゲートによるターンオフが有効になって短絡電流が完全に遮断されるまで、マイクロ秒のオーダーの時間にわたり短絡電流がＩＧＢＴに流れ込むことは避けられない。この短絡電流、例えば定格電流の２０倍程度の短絡電流がＩＧＢＴに流れ込むと、ＩＧＢＴのＭＯＳゲートからドリフト層に注入される電子量が極めて大量になる。そのため、等価的にドリフト層の表面側の少数キャリアと多数キャリアとが中和され、ドリフト層の空間電荷密度の大きさがドリフト層のドーパントの不純物濃度程度かそれ以下に著しく低下した状態になる。たとえば、１７００Ｖ以上の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴにおいて、十分に高いゲート電圧での使用中における短絡電流は、前述のようなドリフト層の空間電荷密度の大きさが低下する程度にドリフト層に注入される電子量が極めて大量になる場合に相当する。
【００４０】
前述の短絡電流が流れる際のドリフト層中の電界強度分布について、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴと従来の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴとのデバイスシミュレーションによる波形の違いを、図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの短絡発生時のドリフト層内の電界強度分布を示す特性図である。従来の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴの電界強度分布を波形Ａで示す。従来の高耐圧のＦＳ−ＩＧＢＴのドリフト層における電界強度分布について、通常のオフ電圧下では、ＦＳ−ＩＧＢＴのメイン接合（ｐベース層とドリフト層とのｐｎ接合）側で高い電界強度のピークが生じる。また、短絡電流が流れる際には、前述したように大量の電子の注入によるドリフト層の空間電荷密度が著しく低下し、その極性が正から負に反転した状態になる。その結果、メイン接合側の電界強度が下がって平坦化し、空間電荷領域のコレクタ層側の領域で電子濃度が非常に高くなり、波形Ａのようにメイン接合側より高いピーク（最大）電界強度を示すようになる。その電界強度がシリコン半導体に固有の絶縁破壊を生じさせる電界強度（臨界電界強度）を超えると、バッファ層のコレクタ接合に近い側でアバランシェ降伏が発生し、素子が破壊する可能性が生じる。
【００４１】
このような短絡時の破壊が生じる条件について、低注入コレクタ層を有するＦＳ−ＩＧＢＴを調べたところ、例えば、ドリフト層とコレクタ層との間のＦＳ層の総不純物量が多いＦＳ−ＩＧＢＴほど破壊し易いことが判明した。そこで、本発明においては、前述の短絡電流が流れる際、ＭＯＳゲートからの大量の電子の注入とともに、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入量を大きくするように、ｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくする層構成にしたところ、前述の短絡時の破壊が減少することが確認された。この層構成を有するＦＳ−ＩＧＢＴについて、デバイスシミュレーションによる短絡動作の解析を行った。本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの電界強度分布を、図２に波形Ｂで示す。その結果、短絡電流が流れるときの電界強度分布は、図２の波形Ｂに示すように、コレクタ側の電界強度が従来の波形Ａに比べて十分小さくなることがわかった。その理由は、以下のように考えられる。ｎＦＳ層１４およびｎ-ドリフト層１のｐ+コレクタ層１５側の総不純物量を従来のＦＳ−ＩＧＢＴよりも少なくすることによって、高電圧印加時に空乏層がコレクタ側に伸びやすくなる。この結果、ｐ+コレクタ層１５と、ｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４と、ｐベース層５とからなるｐｎｐトランジスタの、実効的なｎベース幅が短くなるため、キャリアの輸送効率が大きくなり、ｐ+コレクタ層１５からの正孔注入量が増大する。ｐ+コレクタ層１５から注入された正電荷である正孔は、エミッタ側から注入された負電荷である電子を相殺するので、空間電荷領域が広がり、ｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４で担うことができる電圧が大きくなる。その結果、波形Ｂのように裏面側の電界が緩和されて、アバランシェ降伏の発生が抑制される。
【００４２】
短絡時にｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入量を大きくすることは、短絡発生後にできるだけ早く空間電荷領域を広げ、ｐ+コレクタ層１５との間に残留する電荷中性領域の幅を短時間にて短くし、実効的な電流増幅率αを十分１に近づけることである。短絡時には、ｐベース層５とｎ-ドリフト層１とのｐｎ接合の位置からｐ+コレクタ層１５に向って、空間電荷領域がｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４内に広がる。このとき、前述のように大量の電子がＭＯＳゲートから供給されているために、キャリアである電子と正孔とは相殺され、空間電荷密度の大きさは十分小さくなり、空間電荷領域は高抵抗状態となる。一方、ｎ-ドリフト層１からｎＦＳ層１４に渡って広がる空間電荷領域の先端部の位置は、素子に印加されている電圧と、空間電荷密度をＳｉ基板の深さ方向に積分した電界強度をさらに積分した値により決まる。前述のように、短絡時には電子と正孔とは相殺されているので、空間電荷密度分布はｎ-ドリフト層１およびｎＦＳ層１４、特にｎＦＳ層１４の不純物濃度（ドナー濃度）分布に敏感に依存するようになる。すなわち、ある一定の印加電圧に対して、ｎＦＳ層１４のドナー濃度がｎ-ドリフト層１のドナー濃度を下回らない範囲で小さくなれば、空間電荷密度の積分値は小さくなり、空間電荷領域の先端部はｐ+コレクタ層１５に向って深くなる。特に短絡が発生した直後の過渡的な期間では、より早く空間電荷領域が広がることになる。このようにして、正孔は短絡発生直後から注入される量が増加し、空間電荷密度の極性の反転は抑えられる。
【００４３】
発明者らの検討により、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度が３×１０15ｃｍ-3以下であれば、上記のように、短絡発生直後に空間電荷領域を早期に広げる効果を奏する程度にｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくすることができることが確認された。さらに、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度が１×１０15ｃｍ-3未満であると、短絡発生直後に空間電荷領域をより早い段階で広げられるので、なお好ましい。このように、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入量を大きくするようにｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくすることにより、実効的な電流増幅率を増加させ、ｐ+コレクタ層１５からの正孔の注入を増加させて裏面側の電界強度を緩和させることができる。その結果、アバランシェ降伏の発生が抑制され、短絡破壊を抑えることができる。前述のように、ゲートがオフの状態で定格電圧をＩＧＢＴに印加したときの空乏層端をｎＦＳ層１４の中で止めるには、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度は３×１０14ｃｍ-3以上であるとよい。
【００４４】
短絡発生時に空間電荷領域を早期に広げる効果は、上記のようにｎＦＳ層１４の総不純物量を少なくするだけではなく、ｎＦＳ層１４の不純物濃度分布も工夫すると、より強い効果を奏するようになる。図７は、本発明にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの不純物濃度分布を示す特性図である。具体的には、例えば、ｎＦＳ層１４の不純物濃度分布を示す分布関数がガウス関数ではなく、ガウス関数よりも空間的な不純物濃度の減衰が急峻である指数関数のようであるとよい。指数関数の場合、最大不純物濃度の位置からその半値の位置までの不純物濃度の減少は、ガウス関数に比べると急激である。言い換えると、十分不純物濃度が小さい位置から最大不純物濃度の位置に向うときの濃度勾配は、指数関数の方が緩やかになる。つまり、ｎＦＳ層１４の不純物濃度が、ｎ-ドリフト層１との境界からｐ+コレクタ層１５に向って増加するときの濃度勾配は、指数関数分布の方が緩やかになる。これにより、短絡発生時には、前述の空間電荷密度の積分値が小さくなり、より早くに空間電荷領域を広げることができる。
【００４５】
実際のｎＦＳ層１４の不純物濃度分布は、厳密に指数関数分布ではなくとも、最大値からの不純物濃度の減衰がガウス関数に比べて急峻であり、それでいてｎ-ドリフト層１との境界からｐ+コレクタ層１５に向って増加するときの濃度勾配が緩やかであればよい。このようなｎＦＳ層１４の不純物濃度分布を実現するために、ｎＦＳ層１４を熱拡散にて形成する際のｎ型ドーパントとして、通常用いられるリンや砒素よりも拡散係数の大きいセレンや硫黄を用いることが好ましいことを、発明者らは見出した。ｎ型ドーパントとして通常用いられるリンや砒素の熱拡散による不純物濃度分布はガウス関数でよくあらわされる。これに対して、図７に示すように、ｎ型ドーパントとしてセレンや硫黄を用いたときのｎＦＳ層１４の不純物濃度分布は、Ｓｉ基板の裏面から１０μｍ程度深い位置よりもさらに深い部分において、いわゆる裾を引く部分（裾部分１６）を形成できることが明らかになった。この裾部分１６とは、Ｓｉ基板の裏面から深さ１０μｍ程度の位置を境に（以下、単に境界位置とする）、それより深い部分（ｎ-ドリフト層１との境界である深さ３０μｍ程度まで）の濃度勾配の大きさが、ｎＦＳ層１４の最大不純物濃度の位置から境界位置までの濃度勾配よりも、段階的（あるいは不連続）に小さく緩やかになっている領域のことである。図７中の一点破線による延長線の濃度勾配の大きさと比較すると、裾部分１６の濃度勾配の大きさが小さくなっていることがわかる。この裾部分１６は、特にセレンの場合に顕著に見られ、リンや砒素といった、Ｓｉにおける置換型原子拡散機構を有する原子の熱拡散による不純物濃度分布には見られない構造である。裾部分１６が形成される理由は、次のとおりである。セレンや硫黄は格子間原子拡散機構が原子拡散に支配的に寄与するため、注入されたセレンや硫黄の原子のうち相当の割合がＳｉ基板の奥深くに拡散する。このセレンや硫黄の拡散により不純物濃度分布の裾部分１６が形成されると推察される。裾部分１６の存在により、空間電荷密度の積分値は緩やかに増加することとなり、その結果、短絡発生後の早期において空間電荷領域を広げることが可能となる。なお、本発明においてｎＦＳ層１４を形成するためのドーパントはセレンや硫黄に限らず、Ｓｉにおいて格子間原子拡散機構が支配的なドナー原子であればよい。具体的には、例えばＬｉ（リチウム）、酸素、水素なども、Ｓｉへの導入と拡散の条件によって、セレンや硫黄と同様の効果により図７のようなドーピング濃度分布を示すため好ましい。
【００４６】
前述のように、コレクタ側でのアバランシェ降伏による破壊が起こらないように、セレンなどを用いてピーク不純物濃度を低くし深く拡散させ、かつ総不純物量の少ないｎＦＳ層１４を形成したＦＳ−ＩＧＢＴは、その代償として熱暴走破壊が生じ易い。このため、本発明の実施の形態にかかるＦＳ−ＩＧＢＴでは、短絡破壊を起こさないようなセレンによるピーク不純物濃度が低くて深いｎＦＳ層１４とするとともに、さらにｎＦＳ層１４とｐ+コレクタ層１５との間にピーク不純物濃度が制御されたｎ+バッファ層１３を設けた構造とする。ｎ+バッファ層１３を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔の注入を抑え込み、熱暴走破壊をも防ぐことができる。すなわち、ピーク不純物濃度が制御されたｎ+バッファ層１３を有するＦＳ−ＩＧＢＴとすることにより、短絡破壊と熱暴走破壊との両方を防ぐことができる。このｎ+バッファ層１３のピーク不純物濃度は、図３，４を参照して前述したとおりである。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態にかかるトレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴの製造方法について、本発明に係わるプロセスを中心に説明する。まず、例えば厚さ６２５μｍで、比抵抗８０ΩｃｍのＦＺ−ｎ型のＳｉ基板を用意する。次に、ｎ-ドリフト層１となるＳｉ基板のおもて面に、トレンチ１１が並ぶ方向と直交する方向に延びるストライプ状の平面レイアウトで複数のトレンチ１１を形成する。次に、トレンチ１１の内壁に沿ってゲート絶縁膜１０を形成し、トレンチ１１内部のゲート絶縁膜１０の内側に埋め込むように、ポリシリコンによるゲート電極７を堆積する。
【００４８】
次に、ゲート電極７のパターニング後、ゲート電極７をマスクとしたセルフアライメントにより例えばボロンをイオン注入してｐベース層５を形成する。次に、ｐベース層５内に選択的に砒素をイオン注入してｎ+エミッタ領域４を形成する。また、ｐベース層５内に選択的にｐ型ドーパントをイオン注入し、ｎ+エミッタ領域４に接するようにｐ+コンタクト領域６を形成する。次に、Ｓｉ基板のおもて面に層間絶縁膜を形成する。そして、この層間絶縁膜に、ｐベース層５表面とｎ+エミッタ領域４表面とに跨るエミッタ電極９用のコンタクトホールを形成する。
【００４９】
次に、Ｓｉ基板の裏面を、研削、研磨、エッチングなどを組み合わせたバックグラインド技術により、Ｓｉ基板の厚さを所望の厚さ、例えば２００μｍ程度に薄くする。次に、Ｓｉ基板の薄く削った裏面にｎＦＳ層１４を形成するために、セレン（または硫黄）をイオン注入する。次に、Ｓｉ基板の薄く削った裏面にｎ+バッファ層１３を形成するためにリンをイオン注入する。さらに、Ｓｉ基板の薄く削った裏面にｐ+コレクタ層１５を形成するためにボロンをイオン注入する。ｐ+コレクタ層１５の厚さは、ｎ+バッファ層１３の厚さよりも浅く、例えば０．２μｍから１．０μｍの範囲内である。次に、Ｓｉ基板の裏面にｎＦＳ層１４、ｎ+バッファ層１３およびｐ+コレクタ層１５の３層を形成するために注入した各ドーパントを同時に活性化させる。具体的には、７５０℃から９５０℃の範囲において、例えば８３０℃の温度で、０．５時間から５時間の範囲内の例えば２時間の熱処理を行い、上記３層を形成するために注入した各ドーパントを同時に活性化させることにより効率的なプロセスとすることができる。
【００５０】
次に、Ｓｉ基板のおもて面に、アルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）電極膜（金属電極膜）をスパッタリングにより形成する。そして、Ａｌ−Ｓｉ電極膜にパターニングしてエミッタ電極９となるＡｌ−Ｓｉ電極膜と、ゲートパッドとなるＡｌ−Ｓｉ電極膜とを形成した後、３８０℃の温度で１時間の熱処理を行う。次に、Ｓｉ基板のおもて面側にポリイミド膜等の表面保護膜（図示せず）を被着した後、Ａｌ−Ｓｉ電極膜を形成するための熱処理によりＳｉ基板の裏面に形成された酸化膜を除去し、ｐ+コレクタ層１５の表面にアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などの金属膜の積層からなるコレクタ電極８を形成する。その後、このウエハ（Ｓｉ基板）を各チップ状のＩＧＢＴにダイシングカットして、図１に示すＦＳ−ＩＧＢＴチップが完成する。このＦＳ−ＩＧＢＴチップは、おもて面側のｎ+エミッタ領域４に接するＡｌ−Ｓｉ電極膜と、ゲート電極７に電気的に接するＡｌ−Ｓｉ電極膜とに、Ａｌワイヤが超音波ボンディングによりそれぞれ外部接続端子に接続される。また、ＦＳ−ＩＧＢＴチップは、裏面側のコレクタ電極８がはんだ付けにより銅基板（不図示）などの放熱基板に固着される。その後、ＦＳ−ＩＧＢＴチップがパッケージされてＦＳ−ＩＧＢＴの半導体装置が完成する。
【００５１】
なお、これまで述べてきた各層の不純物濃度および厚さ（あるいは拡散深さ）は、例えば周知の拡がり抵抗測定器を用いて拡がり抵抗を測定し、その値から換算することで取得することができる。
【００５２】
以上の実施の形態によれば、ドーパントとしてセレンや硫黄を用いて、深くて低不純物濃度でありかつ濃度勾配が緩やかなｎＦＳ層を形成することにより、短絡発生時にコレクタ側から注入される正孔の量が多くなり、コレクタ側での電界強度の上昇が抑えられる。また、ｎＦＳ層とｐ+コレクタ層との間に、リンのイオン注入によって所定のピーク不純物濃度を有するｎ+バッファ層を設けることにより、漏れ電流増加に寄与する正孔のｎＦＳ層への注入を抑えることができる。したがって、短絡発生時の素子破壊耐量を大きくすることと熱暴走破壊を抑制することとを両立させることができる。また、実施の形態によれば、ｎ+バッファ層のピーク不純物濃度をｐ+コレクタ層のピーク不純物濃度よりも１桁以上小さくすることにより、オン電圧ばらつきを減少させることができる。
【００５３】
以上において本発明は、トレンチ型ＦＳ−ＩＧＢＴを例に説明したが、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。具体的には、本発明は、例えば、プレーナゲート型ＦＳ−ＩＧＢＴにも適用することが可能である。また、本発明は、耐圧（定格電圧）１７００Ｖ以上のＦＳ−ＩＧＢＴについて説明したが、上述した実施の形態に限らず、本発明は定格電圧が６００Ｖを超える耐圧の素子にも適用することができる。短絡発生時に存在する正孔や電子の濃度よりもドリフト層の不純物濃度が同等か小さくなるような、１２００Ｖ以上の定格電圧、さらには１７００Ｖ以上の定格電圧の素子に適用する場合、上記のように裏面のコレクタ層近傍における電界強度の増加を抑える効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、汎用および電気自動車用のインバータやＡＣサーボ、無停電電源（ＵＰＳ）、スイッチング電源などの産業用機器分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器、ストロボなどの民生機器分野に使用されるパワー半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ｎ-ドリフト層
４  ｎ+エミッタ領域
５  ｐベース層
６  ｐ+コンタクト領域
７  ゲート電極
８  コレクタ電極
９  エミッタ電極
１０  ゲート絶縁膜
１１  トレンチ
１２  トレンチＭＯＳ構造
１３  ｎ+バッファ層
１４  ｎＦＳ層
１５  ｐ+コレクタ層
１６  裾部分
【国際調査報告】
2012157772.tif 000010
2012157772.tif 000011