(57)【要約】【課題】  ＩＧＢＴのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置を提供する。【解決手段】  縦型のＩＧＢＴ２０と縦型のダイオード４０が形成されている半導体基板１２を備える半導体装置１０であって、ＩＧＢＴ２０のボディ領域２４は、ダイオード４０のアノード領域４２よりも深い位置まで形成されており、半導体基板１２内の結晶欠陥が、ＩＧＢＴ２０が形成されている領域とダイオード４０が形成されている領域の両方に亘って、ＩＧＢＴ２０のボディ領域２４の下端より浅く、ダイオード４０のアノード領域４２の下端より深い範囲で周囲より高濃度に分布している。【選択図】図１
2010067901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置であって、
ＩＧＢＴは、
半導体基板の第１表面に露出しているｎ型のエミッタ領域と、
半導体基板の第１表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているｐ型のボディ領域と、
ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、
半導体基板の第２表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているｐ型のコレクタ領域と、
エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
を有しており、
ダイオードは、
半導体基板の第１表面に露出しているｐ型のアノード領域と、
半導体基板の第２表面に露出しており、アノード領域と隣接しているｎ型のカソード領域、
を有しており、
ＩＧＢＴのボディ領域は、ダイオードのアノード領域よりも深い位置まで形成されており、
半導体基板内の結晶欠陥が、ＩＧＢＴが形成されている領域とダイオードが形成されている領域の両方に亘って、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域の下端より深い範囲で周囲より高濃度に分布していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
深さ方向の結晶欠陥濃度分布のピーク半値幅の範囲が、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い範囲内に含まれてい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】
半導体基板の第１表面に露出しているｎ型のエミッタ領域と、
半導体基板の第１表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているｐ型のボディ領域と、
ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、
半導体基板の第２表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているｐ型のコレクタ領域と、
エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
を有する縦型のＩＧＢＴと、
半導体基板の第１表面に露出しているｐ型のアノード領域と、
半導体基板の第２表面に露出しており、アノード領域と隣接しているｎ型のカソード領域、
を有する縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置の製造方法であって、
ＩＧＢＴのボディ領域の下端が、ダイオードのアノード領域の下端よりも深い位置となるように、ボディ領域とアノード領域を形成する工程と、
半導体基板に荷電粒子を打ち込んで結晶欠陥を形成するにあたって、荷電粒子の平均停止位置が、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置となるように打ち込みエネルギーを調整するとともに、半導体基板に対して傾斜した角度で半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程、
を有することを特徴とする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、縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが１つの半導体基板に形成されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を有する半導体装置（以下では、ＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置という場合がある）が開示されている。ＩＧＢＴは、電力制御用のスイッチング素子として用いられる。ダイオードは、ＩＧＢＴのオフ時に逆電流を還流させるフリーホイールダイオードとして用いられる。ＩＧＢＴとダイオードを１つの半導体基板に形成することで、装置の小型化を図ることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体基板に荷電粒子を打ち込むことによって、ダイオードのカソード領域に意図的に結晶欠陥を形成する技術が知られている。結晶欠陥は、ホールと電子の再結合中心として機能する。このため、カソード領域に結晶欠陥を形成しておくと、ダイオードに逆電流が流れたときに、カソード領域内のホールが結晶欠陥の近傍で電子と再結合し易くなる。このため、逆電流を急速に減衰させることが可能であり、ダイオードの逆回復特性を向上させることができる。これによって、逆回復時の損失（以下、逆回復損失という）を低減することができる。
ここで、ダイオードの逆回復損失と順方向導通時の損失（以下、定常損失という）との間にはトレードオフ（相殺特性）が存在する。これらの一方の損失を低減すると、他方の損失が増大するという関係にある。すなわち、上記の結晶欠陥を形成すると、逆回復損失は低減されるものの、定常損失は増加する。ここで、結晶欠陥を一定の深さに局所的に形成すると、定常損失がそれほど増大しない一方で、逆回復損失の低減効果が高く、上記のトレードオフが改善されることが分かっている。さらに、結晶欠陥を局所的に形成する深さによっても、上記のトレードオフの関係が変化することが分かっている。すなわち、カソード領域内のアノード領域近傍の深さに結晶欠陥を局所的に形成すると、電子とホールの再結合が効率的に促進され、逆回復損失の低減効果が高くなる。一方、定常損失は、結晶欠陥の形成位置によってはほとんど変化しない。したがって、カソード領域内のアノード領域近傍の深さに結晶欠陥を局所的に形成すると、トレードオフの関係は改善される。逆に言えば、アノード領域から遠い位置に結晶欠陥を形成すれば、逆回復損失の低減効果は薄れ、かつ、定常損失は変わらないため、トレードオフの関係が悪化する。
【０００５】
結晶欠陥を形成する技術を、ＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置に適用することが考えられる。図５は、荷電粒子の打ち込みによって結晶欠陥１４０を形成したＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置を示している。なお、図５では、参照番号１１０はダイオードを示し、参照番号１１２はアノード領域を示し、参照番号１１４はカソード領域を示し、参照番号１２０はＩＧＢＴを示し、参照番号１２２はエミッタ領域を示し、参照番号１２４はボディ領域を示し、参照番号１２６はドリフト領域を示し、参照番号１２８はコレクタ領域を示し、参照番号１３０はゲート電極を示している。図示するように、ダイオード１１０のカソード領域１１４に結晶欠陥１４０を形成する。これによって、ダイオード１１０の逆回復特性を向上させることができる。しかしながら、半導体基板の全域に荷電粒子を打ち込むと、図５のように、ＩＧＢＴ１２０のドリフト領域１２６にまで結晶欠陥１４０が形成される。
ここで、ＩＧＢＴにおいても、ダイオードと同様に、結晶欠陥形成時においてスイッチング損失とオン電圧（オン電圧は、定常損失に影響する）の間にトレードオフの関係が存在する。すなわち、ＩＧＢＴにおいても、結晶欠陥の形成による再結合の促進が生じ、スイッチング損失が低減され、定常損失（オン電圧）が増大する。結晶欠陥を局所的に形成することで、スイッチング損失の低減効果が高くなり、定常損失はそれほど増大せず、トレードオフの関係が改善されることもダイオードと同じである。しかし、ダイオードとの違いは、結晶欠陥の形成に適した深さが、ドリフト領域内のコレクタ領域近傍の深さであるということである。
このため、図５に示すＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置では、問題が生じる。すなわち、ダイオード１１０に適した深さ（カソード領域１１４内のアノード領域１１２近傍の深さ）に結晶欠陥１４０を形成すると、ＩＧＢＴ１２０では適切でない深さ（ドリフト領域１２６内のコレクタ領域１２８から最も遠い深さ）に結晶欠陥１４０が形成され、ＩＧＢＴ１２０の特性が悪化する。これを回避するために、ＩＧＢＴ１２０に適した深さ（ドリフト領域１２６内のコレクタ領域１２８近傍の深さ）に結晶欠陥１４０を形成すると、ダイオード１１０では適切でない深さ（カソード領域１１４内のアノード領域１１２から遠い深さ）に結晶欠陥１４０が形成され、ダイオード１１０の特性が悪化する。このように、ダイオード１１０とＩＧＢＴ１２０の双方に適切な結晶欠陥形成深さが存在しないために、一方の特性を改善しようとすると、他方の特性が悪化してしまう。
【０００６】
この問題を解消するために、ドリフト領域１２６に結晶欠陥１４０を形成しないで、カソード領域１１４のみに結晶欠陥１４０を形成することが考えられる。このように結晶欠陥１４０を形成しようとする場合、ＩＧＢＴ１２０側をマスクして、半導体基板に荷電粒子を打ち込む必要がある。ＩＧＢＴ１２０側で荷電粒子をシャットアウトするには、厚さが１００μｍ程度のマスクが必要となる。一方、マスクは、その端部がＩＧＢＴ１２０とダイオード１１０の境界部と一致するように形成する必要がある。このため、マスクは、数μｍレベルの精度で形成する必要がある。しかしながら、１００μｍ程度の厚みのあるマスクは、通常の半導体製造技術ではそれほど高精度で形成することはできない。したがって、ＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置を安定した品質で製造することができない。
【０００７】
以上に説明したように、ＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置においては、ＩＧＢＴのオン電圧を上昇させずに、ダイオードの逆回復特性を向上させることが困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、ＩＧＢＴのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置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】
【０００９】
本発明は、縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置を提供する。ＩＧＢＴは、半導体基板の第１表面に露出しているｎ型のエミッタ領域と、半導体基板の第１表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているｐ型のボディ領域と、ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、半導体基板の第２表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているｐ型のコレクタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。ダイオードは、半導体基板の第１表面に露出しているｐ型のアノード領域と、半導体基板の第２表面に露出しており、アノード領域と隣接しているｎ型のカソード領域を有している。ＩＧＢＴのボディ領域は、ダイオードのアノード領域よりも深い位置まで形成されている。半導体基板内の結晶欠陥は、ＩＧＢＴが形成されている領域とダイオードが形成されている領域の両方に亘って、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域の下端より深い範囲で周囲より高濃度に分布している。
なお、上記の「浅い」及び「深い」との表現は、半導体基板の第１表面からの深さを意味している。すなわち、「浅い」とは第１表面に近いことを意味しており、「深い」とは第１表面から遠いことを意味している。
この半導体装置では、ＩＧＢＴのボディ領域が、ダイオードのアノード領域よりも深い位置まで形成されている。そして、結晶欠陥が、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域の下端より深い範囲で高濃度に分布している。すなわち、ＩＧＢＴ側ではボディ領域内に結晶欠陥が高濃度に形成されており、ダイオード側ではカソード領域内に結晶欠陥が高濃度に形成されている。ＩＧＢＴ側では、ボディ領域内に結晶欠陥が形成されているので、ＩＧＢＴのオン時にドリフト領域内で電子とホールの再結合が過剰に生じることがない。また、ＩＧＢＴのオン時には、電子はボディ領域に形成されるチャネルを通過し、ホールはチャネル以外のボディ領域を通過する。したがって、ボディ領域内の結晶欠陥は、再結合を促進せず、ＩＧＢＴの特性にほとんど影響を与えない。すなわち、結晶欠陥によるＩＧＢＴのオン電圧の上昇は生じない。また、ダイオード側では、カソード領域内に結晶欠陥が形成されているため、ダイオードの逆回復特性が向上される。このように、本発明によれば、ＩＧＢＴのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置が提供される。
【００１０】
上述した半導体装置は、深さ方向の結晶欠陥濃度分布のピーク半値幅の範囲が、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い範囲内に含まれていることが好ましい。
このような構成によれば、結晶欠陥の分布のばらつきによりＩＧＢＴのドリフト領域に存在する結晶欠陥の濃度を、無視できる程度に低くすることが出来る。
【００１１】
また、本発明は、上述した半導体装置を好適に製造することができる製造方法を提供する。
この製造方法では、縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置を提供する。ＩＧＢＴは、半導体基板の第１表面に露出しているｎ型のエミッタ領域と、半導体基板の第１表面に露出しており、エミッタ領域に隣接しており、エミッタ領域より深い位置まで形成されているｐ型のボディ領域と、ボディ領域に対して深い位置で隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、半導体基板の第２表面に露出しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されているｐ型のコレクタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。ダイオードは、半導体基板の第１表面に露出しているｐ型のアノード領域と、半導体基板の第２表面に露出しており、アノード領域と隣接しているｎ型のカソード領域を有している。この製造方法は、ＩＧＢＴのボディ領域の下端が、ダイオードのアノード領域の下端よりも深い位置となるように、ボディ領域とアノード領域を形成する工程と、半導体基板に荷電粒子を打ち込んで結晶欠陥を形成するにあたって、荷電粒子の平均停止位置が、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置となるように打ち込みエネルギーを調整するとともに、半導体基板に対して傾斜した角度で半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程を有している。
なお、上記の「浅い」及び「深い」との表現は、半導体基板の第１表面からの深さを意味している。また、荷電粒子を打ち込む際の「浅い」及び「深い」との表現は、半導体基板内における位置を示しているにすぎず、第１表面側から荷電粒子を打ち込むことを意味しているものではない。半導体基板に荷電粒子を打ち込む工程は、第１表面側から荷電粒子を打ち込む工程であっても、第２表面側から荷電粒子を打ち込む工程であってもよい。
この製造方法では、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置に荷電粒子を打ち込む際に、半導体基板に対して傾斜した角度で荷電粒子を打ち込む。半導体基板に対して傾斜した角度で荷電粒子を打ち込むと、半導体基板の深さ方向における荷電粒子の停止位置のばらつき幅を小さくすることができる。例えば、半導体基板に対して４５度傾斜した角度で荷電粒子を打ち込むときの停止位置のばらつき幅（半導体基板の深さ方向の幅）は、垂直に荷電粒子を打ち込むときのばらつき幅の１／√２となる。このため、ドリフト領域に結晶欠陥が形成されてしまうことを抑制し、ＩＧＢＴのボディ領域の下端より浅く、ダイオードのアノード領域より深い位置に局所的に結晶欠陥を形成することができる。すなわち、この製造方法によれば、ＩＧＢＴのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置を好適に製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＩＧＢＴのオン電圧が低く、ダイオードの逆回復特性が高いＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例に係る半導体装置と、その製造方法について説明する。図１は、本実施例のＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置（以下では、半導体装置１０という）の縦断面図を示している。図１に示すように、半導体装置１０は、主にシリコンからなる半導体基板１２と、半導体基板１２の表面に形成されている絶縁膜、金属配線等によって構成されている。
【００１４】
半導体基板１２には、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０が形成されている。
【００１５】
ＩＧＢＴ領域２０の半導体基板１２の上面（第１表面）１２ａには、複数のトレンチ３０が形成されている。トレンチ３０の壁面には、絶縁膜３２が形成されている。トレンチ３０内には、ゲート電極３４が形成されている。ＩＧＢＴ領域２０の半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域には、ｎ型のエミッタ領域２２と、ｐ型のボディ領域２４が選択的に形成されている。エミッタ領域２２は、絶縁膜３２と接するように形成されている。ボディ領域２４は、エミッタ領域２２を覆うように形成されている。ボディ領域２４は、エミッタ領域２２の下側で絶縁膜３２と接するように形成されている。ボディ領域２４は、トレンチ３０の下端より浅い位置まで形成されている。ボディ領域２４のうち上面１２ａに臨む領域には、ボディ領域２４の他部よりもｐ型不純物濃度が高いボディコンタクト領域２４ａが形成されている。ボディ領域２４の下側には、ｎ型のドリフト層２６が形成されている。ドリフト層２６は、ボディ領域２４によってエミッタ領域２２から分離されている。ドリフト層２６の下側の、半導体基板１２の下面（第２表面）１２ｂに臨む領域には、全面に亘ってｐ型のコレクタ層２８が形成されている。コレクタ層２８は、ドリフト層２６によってボディ領域２４から分離されている。ＩＧＢＴ領域２０には、エミッタ領域２２、ボディ領域２４、ドリフト層２６、コレクタ層２８、及び、ゲート電極３４によって、多数のＩＧＢＴが形成されている。以下では、ＩＧＢＴ領域２０に形成されているＩＧＢＴを、ＩＧＢＴ２０という。
【００１６】
ダイオード領域４０の半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ５０が形成されている。トレンチ５０の壁面には、絶縁膜５２が形成されている。トレンチ５０内には、トレンチ電極５４が形成されている。ダイオード領域４０の半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域には、全面に亘ってｐ型のアノード層４２が形成されている。アノード層４２は、ＩＧＢＴ領域２０のボディ領域２４より浅い位置まで形成されている。具体的には、ボディ領域２４は上面１２ａから５μｍの深さまで形成されており、アノード層４２は上面１２ａから２μｍの深さまで形成されている。アノード層４２の上面１２ａに臨む領域のうち、２つのトレンチ５０の中間部に位置する領域には、アノード層４２の他部よりｐ型不純物濃度が高いアノードコンタクト領域４２ａが形成されている。アノード層４２の下側には、ｎ型のカソード層４４が形成されている。カソード層４４の下面１２ｂに臨む領域には、カソード層４４の他部よりｎ型不純物濃度が高いカソードコンタクト層４８が形成されている。以下では、カソード層４４のうちｎ型不純物濃度が低い領域を、カソードドリフト層４６という。カソードドリフト層４６内のｎ型不純物濃度は、ＩＧＢＴ領域２０のドリフト層２６内のｎ型不純物濃度と略等しい。ダイオード領域４０には、アノード層４２とカソード層４４によって、多数のダイオードが形成されている。以下では、ダイオード領域４０に形成されているダイオードを、ダイオード４０という。
【００１７】
半導体基板１２の下面１２ｂ上には、全面に亘って下部電極６０が形成されている。下部電極６０は、コレクタ層２８及びカソードコンタクト層４８とオーミック接触している。
半導体基板１２の上面１２ａのうち、トレンチ３０、５０の上部には、絶縁膜６２が形成されている。各ゲート電極３４は、図示しない位置で半導体基板１２の上面１２ａ上に形成されている電極と接続されている。各トレンチ電極５４は、図示しない位置で半導体基板１２の上面１２ａ上に形成されている電極と接続されている。ゲート電極３４とトレンチ電極５４は導通していない。
半導体基板１２の上面１２ａには、上部電極６４が形成されている。上部電極６４は、絶縁膜６２を覆うように形成されている。上部電極６４は、ゲート電極３４及びトレンチ電極５４から絶縁されている。上部電極６４は、エミッタ領域２２、ボディコンタクト領域２４ａ及びアノードコンタクト領域４２ａとオーミック接触している。
【００１８】
図１の参照番号７０は、半導体基板１２のうち、ボディ領域２４の下端とアノード層４２の下端との間の深さ範囲を示している。以下では、範囲７０を、ギャップ領域７０という。本実施例では、ギャップ領域７０の厚さは約３μｍである。ギャップ領域７０には、多数の結晶欠陥が形成されている。図２は、半導体基板１２の深さ方向における結晶欠陥の濃度分布を示している。なお、半導体基板１２の平面方向（半導体基板１２の表面と平行な方向）では、いずれの深さにおいても、結晶欠陥の濃度は略等しくなっている（すなわち、半導体基板１２の平面方向の何れの位置でも、深さ方向の結晶欠陥濃度分布が図２に示す分布となっている）。図２の横軸の原点は、半導体基板１２の上面１２ａの位置を示している。図２に示すように、ギャップ領域７０内には、高濃度に結晶欠陥が存在している。また、ギャップ領域７０外にも、僅かながら結晶欠陥が存在している。ギャップ領域７０内に存在する結晶欠陥の大部分は、半導体基板１２に荷電粒子を打ち込むことによって意図的に形成された結晶欠陥である。ギャップ領域７０外に存在する結晶欠陥は、結晶の成長時（インゴットの製造時）等に意図せずに形成された結晶欠陥や、ギャップ領域７０に荷電粒子を打ち込む際に意図せずにギャップ領域７０外に形成された結晶欠陥である。図２の範囲７２は、結晶欠陥濃度のピーク値Ａ１の半値Ａ２より高い濃度を有する範囲（以下、半値幅範囲７２という）である。図示するように、半値幅範囲７２は、その全体がギャップ領域７０に含まれている。
【００１９】
次に、半導体装置１０の動作について説明する。半導体装置１０の動作時には、トレンチ電極５４は、一定電位に維持される。これによって、ダイオード４０の動作の安定化が図られる。
【００２０】
上部電極６４に高電位を印加し、下部電極６０に低電位を印加する場合を考える。この場合、ダイオード４０は、アノード側（上部電極６４）が高電位となり、カソード側（下部電極６０）が低電位となる。すなわち、順電圧を印加されている状態となる。このため、ダイオード４０はオンする。
【００２１】
一方、ＩＧＢＴ２０は、エミッタ側（上部電極６４）が高電位となり、コレクタ側（下部電極６０）が低電位となる。このため、ＩＧＢＴ２０は、オンしない。
【００２２】
ダイオード４０をフリーホイールダイオードとして機能させる場合には、ダイオード４０に順電圧が印加されている状態から、ダイオード４０に逆電圧が印加されている状態に切換えられる。すなわち、下部電極６０に高電位を印加し、上部電極６４に低電位を印加する状態に切換えられる。すると、ダイオード４０がオフするとともに、ダイオード４０に逆電流（下部電極６０から上部電極６４に向かう電流）が流れる。すなわち、順電圧が印加されてダイオード４０がオンしている状態においては、カソードドリフト層４６中を電子とホールが流れている。この状態から、ダイオード４０に逆電圧を印加すると、カソードドリフト層４６中に存在している電子がカソード側（下部電極６０）に排出され、カソードドリフト層４６中に存在しているホールがアノード側（上部電極６４）に排出される。このため、ダイオード４０に逆電流が流れる。逆電流は、カソードドリフト層４６中に残留している電子とホールが減少するにつれて減少し、その後はゼロとなる。本実施例の半導体装置１０では、半導体基板１２のギャップ領域７０内（すなわち、カソードドリフト層４６内）に多数の結晶欠陥が形成されている。結晶欠陥は、電子とホールの再結合中心として機能する。このため、ダイオード４０に逆電圧を印加すると、カソードドリフト層４６内で多数の電子とホールが再結合によって消滅する。したがって、ダイオード４０では、逆電流が急速に減衰する。すなわち、逆電流によって生じる電力損失が非常に小さい。
【００２３】
また、下部電極６０に高電位を印加し、上部電極６４に低電位を印加すると、ＩＧＢＴ２０は、コレクタ側（下部電極６０）が高電位となり、エミッタ側（上部電極６４）が低電位となる。この状態で、ゲート電極３４に正の電位を印加すると、絶縁膜３２と接している範囲のボディ領域２４が、ｐ型からｎ型に反転する。これによって、絶縁膜３２と接している範囲のボディ領域２４にチャネルが形成される。チャネルが形成されると、下部電極６０と上部電極６４の間の電位差（すなわち、コレクタ−エミッタ間電圧）によって、電子が、上部電極６４から、エミッタ領域２２、ボディ領域２４内のチャネル、ドリフト層２６、コレクタ層２８を経由して、下部電極６０に流れる。また、ホールが、下部電極６０から、コレクタ層２８、ドリフト層２６、ボディ領域２４（チャネル以外の部分）を経由して、ボディコンタクト領域２４ａから上部電極６４に流れる。すなわち、ＩＧＢＴ２０がオンする。上述したように、ボディ領域２４内（ギャップ領域７０内）には、多数の結晶欠陥が存在する。しかしながら、ボディ領域２４内では、電子とホールの流れる経路が異なるので、結晶欠陥は再結合中心として機能しない。したがって、ボディ領域２４内の結晶欠陥は、ＩＧＢＴ２０の特性にほとんど影響を与えない。また、ドリフト層２６には、結晶欠陥がほとんど存在していない。したがって、ドリフト層２６内で電子とホールの再結合はほとんど起こらない。このため、ドリフト層２６では電子とホールが多量に存在する状態となり、伝導度変調現象によってドリフト層２６の電気抵抗が大きく低下する。したがって、ＩＧＢＴ２０はオン電圧が低い。すなわち、ＩＧＢＴ２０では高い電力損失が生じない。
【００２４】
以上に説明したように、本実施例の半導体装置１０では、ＩＧＢＴ２０のボディ領域２４が、ダイオード４０のアノード層４２よりも深い位置まで形成されている。そして、ＩＧＢＴ２０のボディ領域２４の下端より浅く、ダイオード４０のアノード層４２の下端より深いギャップ領域７０内に、結晶欠陥が高濃度に分布している。すなわち、ダイオード４０のカソードドリフト層４６に多数の結晶欠陥が形成されており、ＩＧＢＴ２０のドリフト層２６にはほとんど結晶欠陥が形成されていない。したがって、半導体装置１０は、ダイオード４０の逆回復特性が高いとともに、ＩＧＢＴ２０のオン電圧が低い。すなわち、半導体装置１０は、低い電力損失で動作することができる。
特に、半導体装置１０では、結晶欠陥濃度のピーク値の半値より高い濃度を有する半値幅範囲７２が、ギャップ領域７０に含まれている。上述したように、ＩＧＢＴ２０のドリフト層２６内に結晶欠陥が存在していると、ＩＧＢＴ２０のオン電圧が上昇してしまう。しかしながら、ピーク値の半分より結晶欠陥濃度が高い半値幅範囲７２がギャップ領域７０内に存在していれば、ギャップ領域７０外に存在している結晶欠陥の量を少なくすることができる。したがって、ＩＧＢＴ２０のオン電圧は、結晶欠陥が形成されていないＩＧＢＴとほとんど変わらない程度に低減される。
【００２５】
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。半導体装置１０は、ドリフト層２６及びカソードドリフト層４６とｎ型不純物濃度が等しい半導体ウエハから製造される。なお、上述した半導体基板１２は半導体ウエハを分割したものであり、以下でいう半導体ウエハの上面及び下面は、上述した半導体基板１２の上面１２ａ及び下面１２ｂに対応している。
まず、半導体ウエハの上面側に、素子構造を形成する。上面側の素子構造の形成方法は、従来公知の技術であるので、簡単に説明する。まず、半導体ウエハに対して、不純物注入と熱処理等を実施することによって、エミッタ領域２２、ボディ領域２４（ボディコンタクト領域２４ａを含む）、及び、アノード層４２（アノードコンタクト領域４２ａを含む）を形成する。なお、ボディ領域２４を形成するための不純物注入工程とアノード層４２を形成するための不純物注入工程は別工程で行う。ボディ領域２４形成用の不純物注入工程では、アノード層４２形成用の不純物注入工程より深い位置に不純物を注入する。これによって、その後の熱処理を経た後に、図１に示すように、ボディ領域２４が、アノード層４２より深い位置まで形成される。本実施例では、ボディ領域２４を半導体ウエハの上面から５μｍの深さまで形成し、アノード層４２を半導体ウエハの上面から２μｍの深さまで形成する。次に、エッチングによってトレンチ３０、５０を形成する。次に、熱酸化処理によって、絶縁膜３２、５２を形成する。次に、ポリシリコンをトレンチ３０、５０内にデポすることによって、ゲート電極３４とトレンチ電極５４を形成する。次に、ＣＶＤ等によって、ゲート電極３４とトレンチ電極５４の上部に、絶縁膜６２を形成する。次に、蒸着等によって、半導体ウエハ上に、上部電極６４を形成する。また、その他の必要な配線や絶縁膜についても、従来公知の方法により形成する。このように、半導体ウエハ上に電極、絶縁膜、配線等を形成することで、半導体ウエハの表面（電極、絶縁膜、配線等の表面）に凹凸が形成される。
【００２６】
上面側の素子構造を形成したら、半導体ウエハ上にレジストを形成する。レジストは、上述した表面の凹凸よりも厚く形成する。レジストを形成したら、レジストの表面を研磨またはエッチングすることによって、レジストの表面を平坦化する。
【００２７】
次に、半導体ウエハに上面側からヘリウムイオンを打ち込む。図３は、半導体ウエハ９０にヘリウムイオンを打ち込むときの様子を示している。図３に示すように、ヘリウムイオン照射装置９２と半導体ウエハ９０の間にアルミニウム箔９４を配置する。アルミニウム箔９４の厚さは、半導体ウエハ９０に打ち込まれるヘリウムイオンの平均停止位置がギャップ領域７０の中心部（深さ方向の中心部）となるように調整されている。また、図３の矢印９６は、ヘリウムイオンの照射方向（移動方向）を示している。図示するように、ヘリウムイオンの照射方向に対して、半導体ウエハ９０を傾斜させて配置する。本実施例では、図３の傾斜角度θを７５．５度となるように半導体ウエハ９０を配置する。この状態で、ヘリウムイオン照射装置９２から半導体ウエハ９０に向けて、ヘリウムイオンを照射する。ヘリウムイオン照射装置９２から打ち出されたヘリウムイオンは、アルミニウム箔９４を貫通する。ヘリウムイオンがアルミニウム箔９４の内部を通過するときには、ヘリウムイオンのエネルギー（移動速度）が減衰する。アルミニウム箔９４を貫通したヘリウムイオンは、半導体ウエハ９０に入射する。そして、半導体ウエハ９０内を進行するうちにエネルギーを失って停止する。上述したように、アルミニウム箔９４の厚さが調整されているので、ヘリウムイオンはギャップ領域７０の中心部近傍に停止する。ヘリウムイオンは、半導体ウエハ９０内で停止する際に、結晶欠陥を生じさせる。したがって、ギャップ領域７０の中心部を中心として結晶欠陥が形成される。
【００２８】
なお、上述したように、半導体ウエハ９０の上面にはレジストが形成されており、そのレジストの表面は平坦化されている。これによって、ヘリウムイオンの停止位置のばらつきが低減されている。すなわち、半導体ウエハ９０の上面に凹凸がある場合、その上面の凹凸によって、ヘリウムイオンが停止する位置にばらつきが生じる。凹部では深い位置でヘリウムイオンが停止し易く、凸部では浅い位置でヘリウムイオンが停止しやすい。本実施例では、半導体ウエハの上面にレジストを形成し、そのレジストの表面を平坦化しているので、半導体ウエハ９０の上面の凹凸によるヘリウムイオンの停止位置のばらつきが抑制される。
【００２９】
但し、上記のようにヘリウムイオンの停止位置のばらつき低減の措置を取ったとしても、ヘリウムイオンの停止位置にはばらつきが生じる。通常、ヘリウムイオンの停止位置のばらつきの半値幅（ヘリウムイオンの停止位置の分布において、ピーク値の半値より高い分布濃度となる範囲の幅）は、１０μｍ程度である。上述したように、ギャップ領域７０の幅は、約３μｍである。このため、ヘリウムイオンを半導体ウエハ９０に対して垂直に打ち込むと、ギャップ領域７０の外に多くのヘリウムイオンが停止してしまう。すなわち、ギャップ領域７０の外に多数の結晶欠陥が形成されてしまう。しかしながら、本実施例の製造方法では、ヘリウムイオンを半導体ウエハ９０に対して傾斜した角度で打ち込む。図４は、ヘリウムイオンの停止位置の説明図である。図４の幅Ｈ１はヘリウムイオンの停止位置の半値幅（約１０μｍ）を示している。また、図４の幅Ｈ２はギャップ領域７０の厚さ（約３μｍ）を示している。図４に示すように、本実施例の製造方法では、傾斜角θ（７５．５度）だけ傾斜した角度で、半導体ウエハ９０にヘリウムイオンを打ち込む。したがって、打ち込み方向９６における停止位置の半値幅がＨ１であると、半導体ウエハ９０の深さ方向における停止位置の半値幅Ｈ３は、半値幅Ｈ１のｃｏｓθ倍となる。本実施例では、半値幅Ｈ１が１０μｍであり、傾斜角θが７５．５度であるので、深さ方向の半値幅Ｈ３は２．５μｍとなる。すなわち、Ｈ３＜Ｈ２となる。このため、停止位置の半値幅Ｈ３の範囲をギャップ領域７０内に収めることができる。すなわち、図２に示すように、半値幅範囲７２がギャップ領域７０に含まれるように、結晶欠陥を形成することができる。
【００３０】
ヘリウムイオンの打ち込みにより結晶欠陥を形成したら、エッチング等によって上面に形成したレジストを除去する。
次に、半導体ウエハの下面側に素子構造を形成する。すなわち、半導体ウエハに対してイオン注入と熱処理等を行うことによって、コレクタ層２８とカソードコンタクト層４８を形成する。なお、この熱処理は、レーザアニール等によって半導体ウエハの下面のみを局所的に加熱することにより行う。次に、蒸着等によって、下部電極６０を形成する。
次に、半導体ウエハをダイシングする。これによって、半導体ウエハを、複数の半導体装置１０に分割する。これによって、半導体装置１０が製造される。
【００３１】
以上に説明したように、本実施例の製造方法では、半導体ウエハに対して傾斜した角度でヘリウムイオンを打ち込む。したがって、半導体ウエハの深さ方向におけるヘリウムイオンの停止位置のばらつきを抑制することができる。すなわち、半導体ウエハの深さ方向の狭小な範囲のみに結晶欠陥を形成することができる。したがって、ギャップ領域７０の幅が小さい場合にも、ギャップ領域７０内に局所的に結晶欠陥を形成することができる。なお、ギャップ領域７０の幅を広く形成しようとすると、ボディ領域２４をかなり深い位置まで形成することが必要となる。すると、ボディ領域２４を形成する際のイオン注入工程に長時間を要するため、半導体装置１０の製造効率が極端に低下する。上述した傾斜した角度でヘリウムイオンを打ち込む方法を用いれば、ボディ領域２４をそれほど深い位置まで形成する必要がないので、製造効率の問題が生じない。高い製造効率で半導体装置１０を製造することができる。なお、本実施例では、結晶欠陥を形成するためにヘリウムイオンを打ち込んだが、窒素イオンや炭素イオンを打ち込んでもよい。窒素イオンや炭素イオンは、ヘリウムイオンに比べて停止位置の半値幅が小さい。したがって、狭小な範囲に結晶欠陥を形成することができる。この場合にも、傾斜した角度でこれらのイオンを半導体ウエハに打ち込むことで、より狭小な範囲に結晶欠陥を形成することが可能となる。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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み合わ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み合わ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するものであり、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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】半導体装置１０の断面図。
【図２】半導体装置１０の深さ方向における結晶欠陥濃度分布を示すグラフ。
【図３】半導体ウエハ９０にヘリウムイオンを打ち込む際の配置を示す図。
【図４】ヘリウムイオンの停止位置の説明図。
【図５】結晶欠陥を形成した従来型のＩＧＢＴ−ダイオード一体型装置の断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１０：半導体装置
１２：半導体基板
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
２０：ＩＧＢＴ領域
２２：エミッタ領域
２４：ボディ領域
２４ａ：ボディコンタクト領域
２６：ドリフト層
２８：コレクタ層
３０：トレンチ
３２：絶縁膜
３４：ゲート電極
４０：ダイオード領域
４２：アノード層
４２ａ：アノードコンタクト領域
４４：カソード層
４６：カソードドリフト層
４８：カソードコンタクト層
５０：トレンチ
５２：絶縁膜
５４：トレンチ電極
６０：下部電極
６２：絶縁膜
６４：上部電極
７０：ギャップ領域
７２：半値幅範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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