(57)【要約】【課題】  結晶欠陥が形成された結果として好ましい比抵抗値分布が形成されている低濃度領域を有するバイポーラ半導体装置を提供すること。【解決手段】  ＩＧＢＴ１０は、ｐ型コレクタ領域１４とｎ＋型エミッタ領域２４とｎ−型ドリフト領域１８等を有する。ｎ−型ドリフト領域１８には、ＩＧＢＴ１０のオン時にｐ型コレクタ領域１４から正孔が供給され、ｎ＋型エミッタ領域２４から電子が供給される。これにより、ｎ−型ドリフト領域１８において伝導度変調現象が発生する。ｎ−型ドリフト領域１８は、ほぼ均一の密度で結晶欠陥が形成されている。この結果、ｎ−型ドリフト領域１８は、結晶欠陥形成前より高くてほぼ一定の比抵抗値分布を有する。【選択図】  図１
2008135439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型領域と、ｎ型領域と、それらの間に配置されるとともにそれらの一方の領域と同じ導電型であって当該一方の領域より低濃度の不純物を含む低濃度領域とを有し、その低濃度領域ではオン時に伝導度変調現象が発生するバイポーラ半導体装置を製造する方法であり、
半導体基板を用意する用意工程と、
半導体基板に物質を照射して半導体基板内に結晶欠陥を形成することによって、結晶欠陥形成前より高くて前記物質の照射方向においてほぼ一定である比抵抗値分布を有する高抵抗一定領域を半導体基板内に形成する結晶欠陥形成工程とを備え、
その高抵抗一定領域のみによって前記低濃度領域を構成することを特徴とする方法。
【請求項２】
用意工程では、前記の「低濃度の不純物」を含む半導体領域を有する半導体基板を用意し、
結晶欠陥形成工程では、半導体基板の一方側の主面に向けて前記物質を照射することによって、前記高抵抗一定領域を前記半導体領域内の前記一方側に形成するとともに、前記物質の照射方向において前記高抵抗一定領域と異なる比抵抗値分布を有する変化領域を前記半導体領域内の他方側に形成し、
結晶欠陥形成工程の後に、半導体基板の前記他方側の主面から前記変化領域を前記一方側に越える深さまでを除去する工程をさらに実行することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
用意工程では、前記の「低濃度の不純物」を含む半導体領域を有する半導体基板を用意し、
結晶欠陥形成工程では、半導体基板の一方側の主面に向けて前記物質を照射することによって、前記高抵抗一定領域を前記半導体領域内の前記一方側に形成するとともに、前記物質の照射方向において前記高抵抗一定領域と異なる比抵抗値分布を有する変化領域を前記半導体領域内の他方側に形成し、
結晶欠陥形成工程の後に、半導体基板の前記他方側の主面から前記変化領域を前記一方側に越える深さまで不純物を注入する工程をさらに実行することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項４】
用意工程では、前記の「低濃度の不純物」を含む半導体領域を有する半導体基板を用意し、
結晶欠陥形成工程では、半導体基板の一方側の主面に向けて前記物質を照射することによって、前記半導体領域の前記一方側の端部から他方側の端部まで前記高抵抗一定領域を形成することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】
結晶欠陥形成工程の後に、４５０℃以下で半導体基板を加熱する工程をさらに実行することを特徴とする請求項１から４のいずれかの方法。
【請求項６】
結晶欠陥形成工程では、１×１０１２ｃｍ−２以上のドーズ量で前記物質を照射することを特徴とする請求項１から５のいずれかの方法。
【請求項７】
前記バイポーラ半導体装置は、ＩＧＢＴであり、
前記ｐ型領域は、ｐ型コレクタ領域であり、
前記ｎ型領域は、ｎ＋型エミッタ領域であり、
前記低濃度領域は、ｎ−型ドリフト領域であることを特徴とする請求項１から６のいずれかの方法。
【請求項８】
前記ＩＧＢＴは、ｐ型コレクタ領域とｎ−型ドリフト領域の間に配置されるｎ型バッファ領域と、ｎ−型ドリフト領域とｎ＋型エミッタ領域の間に配置されるｐ型ボディ領域をさらに有することを特徴とする請求項７の方法。
【請求項９】
用意工程では、一方側の主面から他方側の主面に向かってｎ＋型エミッタ領域とｐ型ボディ領域とｎ−型半導体領域が順に配置されているとともに、ｎ＋型エミッタ領域とｐ型ボディ領域とｎ−型半導体領域のそれぞれにゲート絶縁体領域を介して対向するゲート電極が配置されている半導体基板を用意し、
結晶欠陥形成工程では、半導体基板の前記一方側の主面に向けて前記物質を照射することによって、前記高抵抗一定領域をｎ−型半導体領域内に形成することを特徴とする請求項７又は８の方法。
【請求項１０】
結晶欠陥形成工程の後に、半導体基板の前記他方側の主面からｎ型不純物を注入することによって、ｎ型バッファ領域を形成する工程と、
そのｎ型バッファ領域形成工程の後に、半導体基板の前記他方側の主面からｐ型不純物を注入することによって、ｐ型コレクタ領域を形成する工程とをさらに実行することを特徴とする請求項９の方法。
【請求項１１】
用意工程では、ｎ＋型エミッタ領域の前記一方側にエミッタ電極が配置されている半導体基板を用意することを特徴とする請求項９又は１０の方法。
【請求項１２】
ｐ型領域と、ｎ型領域と、それらの間に配置されるとともにそれらの一方の領域と同じ導電型であって当該一方の領域より低濃度の不純物を含む低濃度領域とを有し、その低濃度領域ではオン時に伝導度変調現象が発生するバイポーラ半導体装置を製造する方法であり、
半導体基板を用意する用意工程と、
半導体基板に物質を照射して半導体基板内に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程とを備え、
その結晶欠陥形成工程では、ほぼ均一の密度で結晶欠陥が形成されている均一密度領域を形成し、
その均一密度領域のみによって前記低濃度領域を構成することを特徴とする方法。
【請求項１３】
バイポーラ半導体装置であり、
ｐ型領域と、
ｎ型領域と、
それらの間に配置され、それらの一方の領域と同じ導電型であって当該一方の領域より低濃度の不純物を含み、かつ、オン時に伝導度変調現象が発生する低濃度領域とを備え、
その低濃度領域の全域の比抵抗値分布は、結晶欠陥が形成された結果として、結晶欠陥形成前より高くてほぼ一定であることを特徴とするバイポーラ半導体装置。
【請求項１４】
バイポーラ半導体装置であり、
ｐ型領域と、
ｎ型領域と、
それらの間に配置され、それらの一方の領域と同じ導電型であって当該一方の領域より低濃度の不純物を含み、かつ、オン時に伝導度変調現象が発生する低濃度領域とを備え、
その低濃度領域の全域にほぼ均一の密度で結晶欠陥が形成されていることを特徴とするバイポーラ半導体装置。
【請求項１５】
前記バイポーラ半導体装置は、ＩＧＢＴであり、
前記ｐ型領域は、ｐ型コレクタ領域であり、
前記ｎ型領域は、ｎ＋型エミッタ領域であり、
前記低濃度領域は、ｎ−型ドリフト領域であることを特徴とする請求項１３又は１４のバイポーラ半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイポーラで動作する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラトランジスタやダイオード等のバイポーラ半導体装置が広く知られている。
バイポーラ半導体装置の中には、ｐ型領域と、ｎ型領域と、それらの間に配置される低濃度領域とを有するタイプのものが存在する。低濃度領域は、ｐ型又はｎ型の不純物を低濃度に含んでいる。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合、上記のｐ型領域がｐ型コレクタ領域であり、上記のｎ型領域がｎ＋型エミッタ領域であり、上記の低濃度領域がｎ−型ドリフト領域である。
低濃度領域は、低濃度の不純物を含んでいるために、電気抵抗が大きい。このために、バイポーラ半導体装置のオフ耐圧が向上する。一方において、バイポーラ半導体装置がオンされると、ｐ型領域から低濃度領域に正孔が供給され、ｎ型領域から低濃度領域に電子が供給される。これにより、低濃度領域において伝導度変調現象が発生する。低濃度領域の電気抵抗は大きいが、バイポーラ半導体装置のオン時には伝導度変調現象が発生するために、オン電圧は高くならない。ｐ型領域とｎ型領域の間に低濃度領域が設けられているバイポーラ半導体装置は、低いオン電圧と高いオフ耐圧の両方を実現することができる。
【０００３】
特許文献１には、ＩＧＢＴが開示されている。特許文献２には、ｐ型アノード領域とｎ＋型カソード領域の間にｎ−型ベース領域が配置されているダイオードが開示されている。いずれの特許文献にも、低濃度領域（ｎ−型ドリフト領域、ｎ−型ベース領域）に結晶欠陥を形成することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９３８１３号公報
【特許文献２】特開平９−２３７９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、バイポーラ半導体装置のオフ耐圧をより向上させたいと考えている。上記の低濃度領域の不純物濃度を低下させれば、低濃度領域の電気抵抗を高くすることができ、オフ耐圧を向上させることができる。しかしながら、低濃度領域の不純物濃度をあまりに低くすると、低濃度領域における伝導度変調現象が阻害され、オン電圧が高くなってしまう。低濃度領域の不純物濃度を低下させずに、低濃度領域の電気抵抗を高くする必要がある。
【０００６】
本発明者らは、半導体領域に物質を照射して結晶欠陥を形成すると、結晶欠陥形成前と比べて比抵抗値（単位長さ当りの電気抵抗）が変化することを見出した。例えば、一様に同じ濃度の不純物を含む半導体領域に結晶欠陥を形成すると、結晶欠陥形成前より高い比抵抗値を有する領域が形成されることがある。この高い比抵抗値を有する領域をバイポーラ半導体装置の低濃度領域に利用すると、低濃度領域の電気抵抗を高くすることができる。この場合、低濃度領域の不純物濃度を低下させずに、低濃度領域の電気抵抗を高くすることができる。
本発明者らは、研究を重ねた結果、物質の照射方向（以下では「深さ方向」と呼ぶことがある）において比抵抗値が変化していくことを見出した。例えば、所定の深さでは結晶欠陥形成前より高い比抵抗値を有する領域が形成される一方において、それと異なる深さでは結晶欠陥形成前より低い比抵抗値を有する領域が形成されることがある。低い比抵抗値を有する領域がバイポーラ半導体装置の低濃度領域に形成されると、低濃度領域の電気抵抗が低くなり、オフ耐圧が低下する。また、深さ方向においてほぼ一定の比抵抗値分布を有する領域が形成されたり、深くなるにつれて変化していく比抵抗値分布を有する領域が形成されたりすることがあることがわかった。後者の領域がバイポーラ半導体装置の低濃度領域に含まれると、半導体装置の電気特性（例えば耐圧、破壊耐量等）が低下する。
【０００７】
上記の特許文献１及び２には、バイポーラ半導体装置の低濃度領域に結晶欠陥を形成することが開示されている。しかしながら、結晶欠陥が形成された結果の比抵抗値変化に着目していない。このために、低濃度領域に好ましい比抵抗値分布が存在することが保証されていない。
例えば、特許文献１の図３を見ると、結晶欠陥を形成するための物質の飛程がＩＧＢＴのｎ−型ドリフト領域内に設定されているように理解できる。物質の飛程の付近では、結晶欠陥形成前より低い比抵抗値になることがある。このために、特許文献１の技術では、結晶欠陥形成前より低い比抵抗値を有する領域がｎ−型ドリフト領域に含まれる可能性がある。この場合、オフ耐圧が低下してしまう。
また、特許文献２の図２から明らかなように、ｐ型アノード領域とｎ＋型カソード領域の間のｎ−型ベース領域では、深くなるにつれて結晶欠陥の密度が小さくなる。結晶欠陥の密度と比抵抗値の間には相関関係があることから、特許文献２の技術では、ｎ−型ベース領域の深さ方向において比抵抗値が変化していくものと思われる。この場合も、優れた電気特性を発揮しない可能性（例えば耐圧が低下する可能性）がある。
【０００８】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、結晶欠陥が形成された結果として好ましい比抵抗値分布が形成されている低濃度領域を有するバイポーラ半導体装置を提供することを目的とする。これにより、優れた電気特性（例えば耐圧）を持つバイポーラ半導体装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らの研究によって、所定の半導体領域に物質を照射して結晶欠陥を形成すると、結晶欠陥形成前より高くて物質の照射方向においてほぼ一定である比抵抗値分布を有する高抵抗一定領域が形成されることがあることがわかった。本発明者らは、この高抵抗一定領域のみによってバイポーラ半導体装置の低濃度領域を構成すると、高性能のバイポーラ半導体装置を実現することができることを見出した。この構成のバイポーラ半導体装置によると、低い比抵抗値を有する領域や、深さ方向において変化していく比抵抗値分布を有する領域が、低濃度領域に含まれない。優れた電気特性を持つバイポーラ半導体装置を実現することができる。
【００１０】
本発明の一つの形態は、バイポーラ半導体装置の製造方法である。この製造方法では、ｐ型領域と、ｎ型領域と、それらの間に配置されるとともにそれらの一方の領域と同じ導電型であって当該一方の領域より低濃度の不純物を含む低濃度領域とを有するバイポーラ半導体装置を製造する。低濃度領域では、半導体装置のオン時に伝導度変調現象が発生する。例えば、ＩＧＢＴの場合、上記の低濃度領域は、ドリフト領域である。また、他のタイプのバイポーラトランジスタの場合、上記の低濃度領域は、ソース領域とドレイン領域の間に配置されるベース領域である。また、ダイオードの場合、上記の低濃度領域は、アノード領域とカソード領域の間に配置されるベース領域である。
この製造方法は、半導体基板を用意する用意工程と、結晶欠陥形成工程とを備える。結晶欠陥形成工程では、半導体基板に物質を照射して半導体基板内に結晶欠陥を形成することによって、結晶欠陥形成前より高くて前記の物質の照射方向においてほぼ一定である比抵抗値分布を有する高抵抗一定領域を半導体基板内に形成する。この製造方法は、前記の高抵抗一定領域のみによって前記の低濃度領域を構成することを特徴とする。
この製造方法によると、結晶欠陥が形成された結果として好ましい比抵抗値分布が形成されている低濃度領域を有するバイポーラ半導体装置を製造することができる。優れた電気特性を持つバイポーラ半導体装置を製造することができる。
なお、上記の「結晶欠陥」とは、半導体領域を構成する半導体材料結晶（例えばシリコン結晶）において、少なくとも１つの原子が欠落している状態、及び／又は、少なくとも一対の原子の間の共有結合が切断されている状態（共有結合に関わる電子が抜けている状態）を意味する。
また、上記の「物質」は、半導体基板内に結晶欠陥を形成することができる物質であれば、どのような種類の物質を利用してもよい。例えば、電子線、プロトン、デュートロン、ヘリウム、ボロン等を利用してもよい。
【００１１】
なお、上記の低濃度領域に含まれる不純物を半導体基板に注入する工程は、高抵抗一定領域を形成する前に実行されてもよいし、高抵抗一定領域を形成した後に実行されてもよい。前者の場合、用意工程では、低濃度の不純物を含む半導体領域（最終的に低濃度領域になる領域）を有する半導体基板を用意する。
この場合、結晶欠陥形成工程では、半導体基板の一方側の主面に向けて物質を照射することによって、高抵抗一定領域を前記の半導体領域内の一方側に形成するとともに、物質の照射方向において高抵抗一定領域と異なる比抵抗値分布を有する変化領域を前記の半導体領域内の他方側に形成してもよい。本発明者らの研究によって、物質の照射方向の浅い部分に高抵抗一定領域が形成され、深い部分に変化領域が形成される傾向があることがわかった。この理由としては、物質が通過した領域が高抵抗一定領域になり、物質の飛程付近であって物質が止まった領域が変化領域になることが推察される。このために、半導体基板の一方側の主面に向けて物質を照射すると、前記の半導体領域内の一方側に高抵抗一定領域が形成され、前記の半導体領域内の他方側に変化領域が形成される。
この場合、結晶欠陥形成工程の後に、半導体基板の他方側の主面から変化領域を一方側に越える深さまでを除去する工程をさらに実行してもよい。
このようにすると、前記の半導体領域内に形成された変化領域が除去されるために、前記の半導体領域内に高抵抗一定領域のみを残存させることができる。この結果、高抵抗一定領域のみによってバイポーラ半導体装置の低濃度領域を構成することができる。
【００１２】
高抵抗一定領域と変化領域が前記の半導体領域内に形成される場合に、上記の除去工程を実行しなくてもよい。この場合、半導体基板の他方側の主面から変化領域を一方側に越える深さまで不純物を注入する工程をさらに実行してもよい。
このようにすると、前記の半導体領域内に形成された変化領域の全域に不純物が注入されることになる。この不純物が注入された領域は、別の半導体領域として利用される。例えば、ＩＧＢＴの場合、ｎ型バッファ領域やｐ型コレクタ領域として利用されてもよい。一方において、前記の半導体領域内において上記の不純物が注入されなかった領域は、高抵抗一定領域のみによって構成される。この高抵抗一定領域がバイポーラ半導体装置の低濃度領域になる。この方法を採用しても、高抵抗一定領域のみによってバイポーラ半導体装置の低濃度領域を構成することができる。
【００１３】
また、結晶欠陥形成工程では、半導体基板の一方側の主面に向けて物質を照射することによって、前記の半導体領域の一方側の端部から他方側の端部まで高抵抗一定領域を形成してもよい。
このようにすると、前記の半導体領域の深さ方向の全域に高抵抗一定領域が形成されることになる。この方法を採用しても、高抵抗一定領域のみによってバイポーラ半導体装置の低濃度領域を構成することができる。
【００１４】
結晶欠陥が形成された後に、半導体基板が加熱されることがある。本発明者らの研究によって、加熱温度が高すぎると、結晶欠陥が形成された半導体領域の比抵抗値が大幅に低下することがわかった。加熱温度は、４５０℃以下であることが好ましいことがわかっている。
【００１５】
結晶欠陥形成工程では、１×１０１２ｃｍ−２以上のドーズ量で物質を照射することが好ましい。
このようにすると、結晶欠陥が形成された結果として比抵抗値を効果的に向上させることができる。
【００１６】
上記のバイポーラ半導体装置は、ＩＧＢＴであってもよい。この場合、上記のｐ型領域がｐ型コレクタ領域であり、上記のｎ型領域がｎ＋型エミッタ領域であり、上記の低濃度領域がｎ−型ドリフト領域である。
一方において、上記のバイポーラ半導体装置は、ＩＧＢＴ以外のバイポーラトランジスタであってもよい。この場合、上記のｐ型領域がソース領域又はドレイン領域であり、上記のｎ型領域がドレイン領域又はソース領域であり、上記の低濃度領域がソース領域とドレイン領域の間に配置されるベース領域（ｐ型又はｎ型）である。
また、上記のバイポーラ半導体装置は、ダイオードであってもよい。この場合、上記のｐ型領域がアノード領域であり、上記のｎ型領域がカソード領域であり、上記の低濃度領域がカソード領域とアノード領域の間に配置されるベース領域（ｐ型又はｎ型）である。
【００１７】
上記のＩＧＢＴは、ｐ型コレクタ領域とｎ−型ドリフト領域の間に配置されるｎ型バッファ領域と、ｎ−型ドリフト領域とｎ＋型エミッタ領域の間に配置されるｐ型ボディ領域をさらに有するものであってもよい。
なお、上記の「ｎ型バッファ領域」は、プラス又はマイナスの符号が記載されていない。これは、他のｎ型領域（ｎ−型ドリフト領域やｎ＋型エミッタ領域）と比較して不純物濃度の高低が決定されないことを意味している。また、上記の「ｐ型コレクタ領域」と「ｐ型ボディ領域」も、プラス又はマイナスの符号が記載されていない。前者が後者より大きい不純物濃度であってもよいし、後者が前者より大きい不純物濃度であってもよいし、前者と後者が同じ不純物濃度であってもよい。
なお、ｎ型バッファ領域が配置されておらず、ｐ型コレクタ領域とｎ−型ドリフト領域が接している構成のＩＧＢＴに対しても、本発明の技術を適用することができる。
【００１８】
用意工程では、一方側の主面から他方側の主面に向かってｎ＋型エミッタ領域とｐ型ボディ領域とｎ−型半導体領域が順に配置されているとともに、ｎ＋型エミッタ領域とｐ型ボディ領域とｎ−型半導体領域のそれぞれにゲート絶縁体領域を介して対向するゲート電極が配置されている半導体基板を用意してもよい。
この場合、結晶欠陥形成工程では、半導体基板の一方側の主面に向けて物質を照射することによって、高抵抗一定領域をｎ−型半導体領域内に形成してもよい。
なお、この場合、結晶欠陥形成工程の後に、半導体基板の他方側の主面からｎ型不純物を注入することによって、ｎ型バッファ領域を形成する工程をさらに実行してもよい。さらに、そのｎ型バッファ領域形成工程の後に、半導体基板の他方側の主面からｐ型不純物を注入することによって、ｐ型コレクタ領域を形成する工程をさらに実行してもよい。
【００１９】
用意工程では、ｎ＋型エミッタ領域の一方側にエミッタ電極が配置されている半導体基板を用意してもよい。
この場合、エミッタ電極に向けて物質が照射されることによって結晶欠陥が形成されることになる。
【００２０】
上記の高抵抗一定領域は、結晶欠陥が均一の密度で形成された結果として形成されるものであると考えられる。このために、本発明の技術思想は、次のように表現することもできる。
このバイポーラ半導体装置製造方法は、半導体基板を用意する用意工程と、半導体基板に物質を照射して半導体基板内に結晶欠陥を形成する結晶欠陥形成工程とを備える。その結晶欠陥形成工程では、ほぼ均一の密度で結晶欠陥が形成されている均一密度領域を形成する。そして、この均一密度領域のみによって、バイポーラ半導体装置の低濃度領域を構成する。
この方法によると、結晶欠陥が形成された結果として好ましい比抵抗値分布が形成されている低濃度領域を有するバイポーラ半導体装置を製造することができる。
【００２１】
また、本発明の別の形態は、バイポーラ半導体装置である。このバイポーラ半導体装置は、ｐ型領域とｎ型領域と低濃度領域を備える。この低濃度領域は、ｐ型領域とｎ型領域の間に配置され、ｐ型領域とｎ型領域の一方の領域と同じ導電型であって当該一方の領域より低濃度の不純物を含み、かつ、オン時に伝導度変調現象が発生する。この低濃度領域の全域の比抵抗値分布は、結晶欠陥が形成された結果として、結晶欠陥形成前より高くてほぼ一定である。
このバイポーラ半導体装置は、低濃度領域において高くて一定の比抵抗値分布が形成されている。このために、優れた電気特性を発揮することができる。
【００２２】
また、本発明の技術思想は、次のバイポーラ半導体装置として記載することもできる。このバイポーラ半導体装置の低濃度領域は、その全域にほぼ均一の密度で結晶欠陥が形成されている。
このバイポーラ半導体装置の低濃度領域は、ほぼ均一の密度で結晶欠陥が形成されているために、高くて一定である比抵抗値分布が形成されている。このために、優れた電気特性を発揮することができる。
【００２３】
上記のバイポーラ半導体装置は、ＩＧＢＴであってもよい。この場合、上記のｐ型領域がｐ型コレクタ領域であり、上記のｎ型領域がｎ＋型エミッタ領域であり、上記の低濃度領域がｎ−型ドリフト領域である。
このＩＧＢＴは、優れた電気特性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の特徴の一部を列記する。
（形態１）半導体基板内に結晶欠陥を形成するために、電子線、プロトン、デュートロン、又は、ヘリウム（３Ｈｅ又は４Ｈｅ）が利用される。なお、ボロン（Ｂ）が利用されてもよい。ボロンを利用する場合、１μｍ以上の深さまで高抵抗一定領域を形成するためには、１０６ｅＶ以上にボロンが加速されればよい。
（形態２）半導体基板の加熱温度は、４５０℃以下であることが好ましいが、４００℃以下であるとより好ましい。なお、加熱温度は、２００℃以上であることが好ましい。
（形態３）半導体基板内に結晶欠陥を形成するために照射される物質のドーズ量は、１×１０１２ｃｍ−２以上であることが好ましいが、１×１０１３ｃｍ−２以上であるとより好ましい。
（形態４）半導体基板内に結晶欠陥を形成するために照射される物質は、低濃度の不純物を含む半導体領域（最終的にバイポーラ半導体装置の低濃度領域になる領域）に到達する程度（又は当該半導体領域を通過する程度）に加速される。
【実施例】
【００２５】
（第１実施例）
図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本実施例のバイポーラ半導体装置１０の要部断面図を模式的に示す。バイポーラ半導体装置１０は、バイポーラで動作する縦型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
以下の説明では、各構成要素について、図１の上側の面を表面とし、図１の下側の面を裏面とする。
【００２６】
半導体装置１０は、一対の電極１２，３６と、６つの半導体領域１４，１６，１８，２０，２２，２４と、トレンチゲート電極３２等を有する。各半導体領域１４〜２４は、シリコン単結晶の半導体領域である。
コレクタ電極１２は、半導体装置１０の裏面を構成する。ｐ型コレクタ領域１４は、コレクタ電極１２の表面に接している。ｎ型バッファ領域１６は、ｐ型コレクタ領域１４の表面に接している。ｎ型バッファ領域１６は、ｐ型コレクタ領域１４によってコレクタ電極１２から隔てられている。ｎ−型ドリフト領域１８は、ｎ型バッファ領域１６の表面に接している。ｎ−型ドリフト領域１８は、ｎ型バッファ領域１６によってｐ型コレクタ領域１４から隔てられている。ｎ−型ドリフト領域１８は、ｎ型バッファ領域１６より低濃度のｎ型不純物を含んでいる。
【００２７】
ｐ−型ボディ領域２０は、ｎ−型ドリフト領域１８の表面に接している。ｐ−型ボディ領域２０は、ｎ−型ドリフト領域１８によってｎ型バッファ領域１６から隔てられている。ｐ＋型ボディコンタクト領域２２は、ｐ−型ボディ領域２０の表面に接している。ｐ＋型ボディコンタクト領域２２は、ｐ−型ボディ領域２０によってｎ−型ドリフト領域１８から隔てられている。また、ｐ＋型ボディコンタクト領域２２は、後述するｎ＋型エミッタ領域２４によってトレンチゲート電極３０から隔てられている。ｐ＋型ボディコンタクト領域２２は、ｐ−型ボディ領域２０より高濃度のｐ型不純物を含んでいる。
ｎ＋型エミッタ領域２４は、ｐ−型ボディ領域２０の表面に接している。また、ｎ＋型エミッタ領域２４は、ｐ＋型ボディコンタクト領域２２の側面に接している。ｎ＋型エミッタ領域２４は、ｐ−型ボディ領域２０によってｎ−型ドリフト領域１８から隔てられている。ｎ＋型エミッタ領域２４は、ｎ−型ドリフト領域１８より高濃度のｎ型不純物を含んでいる。トレンチゲート電極３０の左側のｎ＋型エミッタ領域２４と右側のｎ＋型エミッタ領域２４は別体である。一対のｎ＋型エミッタ領域２４のそれぞれは、トレンチゲート電極３０に沿って図１の紙面垂直方向に伸びている。エミッタ電極３６は、ｐ＋型ボディコンタクト領域２２の表面とｎ＋型エミッタ領域２４の表面に接している。
【００２８】
トレンチゲート電極３０は、ｎ＋型エミッタ領域２４の表面から下方に伸びている。トレンチゲート電極３０は、ｐ−型ボディ領域２０とｎ−型ドリフト領域１８の間の界面を越えて下方に伸びている。トレンチゲート電極３０は、ｎ＋型エミッタ領域２４とｐ−型ボディ領域２０とｎ−型ドリフト領域１８のそれぞれにゲート絶縁体領域３２を介して対向している。トレンチゲート電極３０の表面は、絶縁膜３４によって被覆されている。
【００２９】
エミッタ電極３６に対して正の電圧がコレクタ電極１２に印加され、トレンチゲート電極３０に所定のゲートオン電圧が印加されると、ＩＧＢＴ１０はオン状態になる。ＩＧＢＴ１０がオン状態になると、ｎ＋型エミッタ領域２４から電子が供給される。供給された電子は、ｐ−型ボディ領域２０の中でトレンチゲート電極３０の側面に沿って形成される反転領域を介してｎ−型ドリフト領域１８に到達する。一方において、ｐ型コレクタ領域１４からｎ−型ドリフト領域１８に正孔が供給される。電子と正孔がそれぞれ逆方向に移動することによって、ＩＧＢＴ１０はバイポーラで動作する。電子と正孔は、ｎ−型ドリフト領域１８において伝導度変調を活発化させ、低いオン電圧を実現する。
【００３０】
本実施例のＩＧＢＴ１０は、ｎ−型ドリフト領域１８に結晶欠陥が形成されている。ｎ−型ドリフト領域１８は、結晶欠陥が形成された結果として、結晶欠陥形成前より高くてほぼ一定である比抵抗値分布を有する。比抵抗値とは、単位長さ当りの電気抵抗を意味する。本実施例では、結晶欠陥形成前のｎ−型ドリフト領域１８の比抵抗値は、約１００Ωｃｍである。結晶欠陥形成後のｎ−型ドリフト領域１８の比抵抗値は、約１２０Ωｃｍである。
ｎ−型ドリフト領域１８のいずれの部分でも、約１２０Ωｃｍの比抵抗値になっている。このように一定の比抵抗値分布が形成されていることは、ｎ−型ドリフト領域１８に均一の密度で結晶欠陥が形成されていることを意味する。
なお、ｎ−型ドリフト領域１８に結晶欠陥を形成する様子は、後で詳しく説明する。
【００３１】
本実施例のＩＧＢＴ１０は、ｎ−型ドリフト領域１８に均一の密度で結晶欠陥が形成されている。この結果、ｎ−型ドリフト領域１８は、結晶欠陥形成前より高くてほぼ一定の比抵抗値分布を有する。このために、ｎ−型ドリフト領域１８の電気抵抗が高くなり、オフ耐圧が向上する。ｎ−型ドリフト領域１８の電気抵抗は高いけれども、ＩＧＢＴ１０のオン時にはｎ−型ドリフト領域１８において伝導度変調現象が発生する。このために、オン電圧が高くなることはない。
また、ｎ−型ドリフト領域１８にほぼ一定の比抵抗値分布が形成されている。このことも、ＩＧＢＴ１０の電気特性を安定化させることに寄与する。本実施例によると、優れた電気特性を有するＩＧＢＴ１０が実現されている。
【００３２】
続いて、上記のＩＧＢＴ１０の製造方法について説明する。図２から図７は、ＩＧＢＴ１０の製造過程を順に示す。
まず、図２に示される半導体基板１００を用意する。半導体基板１００は、ｐ−型ボディ領域２０とｐ＋型ボディコンタクト領域２２とｎ＋型エミッタ領域２４とトレンチゲート電極３０とエミッタ電極３６を有する。さらに、半導体基板１００は、ｐ−型ボディ領域２０の裏面に接しているｎ−型半導体領域１１８を有する。
ｎ−型半導体領域１１８の不純物濃度は、図１のｎ−型ドリフト領域１８の不純物濃度と同じである。ｎ−型半導体領域１１８の厚みＤ２は、図１の厚みＤ１より大きい。ｎ−型半導体領域１１８の比抵抗値は、１００Ωｃｍである。ｎ−型半導体領域１１８のどの部分でも、同じ比抵抗値になっている。ｎ−型半導体領域１１８は、最終的にｎ−型ドリフト領域１８になる領域を含んでいる。
【００３３】
次いで、図３に示されるように、半導体基板１００の一方側の主面（表面）１００ａにプロトンを照射する。即ち、エミッタ電極３６の表面にプロトンを照射する。本実施例において、プロトンのドーズ量は１×１０１２ｃｍ−２である。プロトンは、１８ＭｅＶに加速される。
プロトンは、半導体基板１００内に侵入する。プロトンは、ｎ−型半導体領域１１８に到達する。プロトンがｎ−型半導体領域１１８に到達するとともにｎ−型半導体領域１１８を越えないように、プロトンに加えられるエネルギーが調整されている。即ち、プロトンの飛程がｎ−型半導体領域１１８内に位置するように、プロトンに加えられるエネルギーが調整されている。
プロトンがｎ−型半導体領域１１８内を通過すると、ｎ−型半導体領域１１８内に結晶欠陥が形成される。なお、ｐ−型ボディ領域２０とｐ＋型ボディコンタクト領域２２とｎ＋型エミッタ領域２４にも結晶欠陥が形成される。
【００３４】
ｎ−型半導体領域１１８内には、結晶欠陥形成前より高くて深さ方向において一定である比抵抗値分布を有する高抵抗一定領域Ａ１が形成される。さらに、ｎ−型半導体領域１１８内には、深さ方向において高抵抗一定領域Ａ１と異なる比抵抗値分布を有する変化領域Ａ３が形成される。
図８は、ｎ−型半導体領域１１８内における深さ方向の比抵抗値分布を示す。図８に示されるように、ｎ−型半導体領域１１８内の表面側に高抵抗一定領域Ａ１が形成されている。高抵抗一定領域Ａ１の比抵抗値は、約１２０Ωｃｍである。この比抵抗値は、ｎ−型半導体領域１１８の結晶欠陥形成前の比抵抗値（約１００Ωｃｍ）より大きい。ｎ−型半導体領域１１８内の裏面側に変化領域Ａ３が形成されている。変化領域Ａ３内にプロトンの飛程Ｆ１が存在する。高抵抗一定領域Ａ１から飛程Ｆ１までの間の領域Ａ２は、深くなるにつれて比抵抗値が減少している。変化領域Ａ３の大部分では、結晶欠陥形成前の比抵抗値（約１００Ωｃｍ）より小さい比抵抗値になっている。
なお、図３の各領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の厚みの比率は、図８の各領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の長さの比率と必ずしも一致しない。図３は、図８のグラフを正確に反映して作成されているわけではない。
【００３５】
ｎ−型半導体領域１１８内に結晶欠陥を形成した後に、半導体基板１００を加熱する。本実施例の加熱温度は、３００℃である。半導体基板１００が完成した後にその使用環境の温度が上昇すると、半導体基板１００の比抵抗値が変化する。使用中に半導体基板１００の比抵抗値が変化していくのは好ましいことではない。このために、本実施例では、半導体基板１００を予め加熱しておくことによって半導体基板１００の比抵抗値を安定させ、完成した半導体基板１００の温度が変化しても（温度が上昇しても）、その比抵抗値が変化しないようにする。
【００３６】
加熱処理を終えると、半導体基板１００の他方側の主面（裏面）１００ｂから変化領域Ａ３を越える深さまでを除去する。即ち、半導体基板１００の裏面１００ｂから深さＤ３（図３参照）までを除去する。この結果、図４の状態になる。図４の状態では、ｎ−型半導体領域１１８内から変化領域Ａ３が除去されており、高抵抗一定領域Ａ１のみが残っている。
【００３７】
次いで、図５に示されるように、半導体基板１００の裏面１００ｂからｎ型不純物を注入する。このｎ型不純物濃度は、ｎ−型半導体領域１１８のｎ型不純物濃度より大きくなるように調整される。ｎ−型半導体領域１１８の表面（ｐ−型ボディ領域２０の裏面）までｎ型不純物が到達しないように、ｎ型不純物の注入量が調整される。これにより、ｎ型不純物が注入されなかったｎ−型領域１１８ａと、ｎ型不純物が注入されたｎ型領域１１６が形成される。
ｎ−型領域１１８ａは、上記した高抵抗一定領域Ａ１（図８等参照）のみによって構成されている。ｎ−型領域１１８ａは、図１のドリフト領域１８である。
【００３８】
続いて、図６に示されるように、半導体基板１００の裏面１００ｂからｐ型不純物を注入する。ｎ型領域１１６ａの表面（ｎ−型領域１１８ａの裏面）までｐ型不純物が到達しないように、ｐ型不純物の注入量が調整される。これにより、ｐ型不純物が注入されなかったｎ型領域１１６ａと、ｐ型不純物が注入されたｐ型領域１１４が形成される。
ｎ型領域１１６ａは、図１のｎ型バッファ領域１６である。ｐ型領域１１４は、図１のｐ型コレクタ領域１４である。
【００３９】
最後に、図７に示されるように、ｐ型領域１１４（ｐ型コレクタ領域１４）の裏面にコレクタ電極１１２を接続する。これにより、図１に示されるＩＧＢＴ１０が完成する。
本実施例の製造方法によると、高抵抗一定領域Ａ１（図８等参照）のみによって構成されるドリフト領域１８を有するＩＧＢＴ１０を製造することができる。
【００４０】
上記の実施例では、結晶欠陥を形成するためにプロトンを１×１０１２ｃｍ−２のドーズ量で照射する。また、結晶欠陥が形成された後の加熱処理の温度は３００℃である。
図９から図１２は、ヘリウム（３Ｈｅ）を照射して結晶欠陥を形成した場合のｎ−型半導体領域１１８内の比抵抗値分布を示す。図９から図１２は、結晶欠陥が形成された後の加熱処理の温度が異なる。また、図９から図１２のそれぞれには、４つのグラフが示されている。各グラフは、ヘリウムのドーズ量（１×１０１２，１×１０１３，１×１０１４，１×１０１５ｃｍ−２）が異なる。なお、ヘリウムは、２３ＭｅＶに加速される。また、結晶欠陥形成前のｎ−型半導体領域１１８内の比抵抗値は、約１００Ωｃｍである。
【００４１】
図１３から図１６は、プロトンを照射して結晶欠陥を形成した場合のｎ−型半導体領域１１８内の比抵抗値分布を示す。図１３から図１６は、結晶欠陥が形成された後の加熱処理の温度が異なる。また、図１３から図１６のそれぞれには、４つのグラフが示されている。各グラフは、プロトンのドーズ量（１×１０１２，１×１０１３，１×１０１４，１×１０１５ｃｍ−２）が異なる。なお、プロトンは、１８ＭｅＶに加速される。また、結晶欠陥形成前のｎ−型半導体領域１１８内の比抵抗値は、約１００Ωｃｍである。
【００４２】
図９から図１６に基づいて以下のことを理解することができる。
（１）ドーズ量が１×１０１２ｃｍ−２以上であると、ほとんどのグラフにおいて、結晶欠陥形成前の比抵抗値（１００Ωｃｍ）を超える比抵抗値になる領域が形成される。ただし、例えば図９を見るとわかるように、ヘリウムのドーズ量が１×１０１２ｃｍ−２の場合は、それ以上のドーズ量の場合と比べて、比抵抗値がほぼ一定になる領域が形成されにくい。このために、１×１０１３ｃｍ−２以上のドーズ量を採用することがより好ましいと言える。また、１×１０１３ｃｍ−２のドーズ量を採用すると、比抵抗値が顕著に高くなる。この点からも、１×１０１３ｃｍ−２以上のドーズ量を採用することが好ましいと言える。
（２）４５０℃で加熱する場合（図１２や図１６）、結晶欠陥形成前より低い比抵抗値になってしまうことがある。このために、４５０℃以下で加熱することが好ましい。より好ましくは、４００℃以下で加熱することが好ましい。
【００４３】
（第２実施例）
図１７から図１９を参照しながら、第２実施例のＩＧＢＴ製造方法について説明する。ｐ−型ボディ領域２０とｐ＋型ボディコンタクト領域２２とｎ＋型エミッタ領域２４とトレンチゲート電極３０とエミッタ電極３６とｎ−型半導体領域２１８を有する半導体基板２００を用意する点は、第１実施例と同じである。
また、半導体基板２００の表面２００ａに向けてプロトンを照射することによって、ｎ−型半導体領域２１８内に結晶欠陥を形成する点も、第１実施例と同じである。結晶欠陥が形成された結果、ｎ−型半導体領域２１８内の表面側に高抵抗一定領域Ａ１が形成され、ｎ−型半導体領域２１８内の裏面側に変化領域Ａ３が形成される。
ｎ−型半導体領域２１８内に結晶欠陥を形成すると、半導体基板２００を加熱する。この点も第１実施例と同じである。
【００４４】
加熱処理を終えると、半導体基板２００の裏面２００ｂから変化領域Ａ３を越える深さまでｎ型不純物を注入する。このｎ型不純物濃度は、ｎ−型半導体領域２１８のｎ型不純物濃度より大きくなるように調整される。ｎ−型半導体領域２１８の表面（ｐ−型ボディ領域２０の裏面）までｎ型不純物が到達しないように、ｎ型不純物の注入量が調整される。この結果、図１８に示されるように、ｎ型領域２１６が形成される。図１８の状態では、ｎ−型半導体領域２１８が高抵抗一定領域Ａ１のみによって構成されている。このｎ−型半導体領域２１８は、図１のドリフト領域１８である。
次いで、図１９に示されるように、半導体基板２００の裏面２００ｂからｐ型不純物を注入する。ｎ型領域２１６ａの表面（ｎ−型半導体領域２１８ａの裏面）までｐ型不純物が到達しないように、ｐ型不純物の注入量が調整される。これにより、ｐ型領域２１４が形成される。
図１９のｎ型領域２１６は、図１のｎ型バッファ領域１６である。ｐ型領域２１４は、図１のｐ型コレクタ領域１４である。
ｐ型領域２１４（ｐ型コレクタ領域１４）の裏面にコレクタ電極を接続する点は、第１実施例と同じである。
本実施例の製造方法によっても、高抵抗一定領域Ａ１のみによって構成されるドリフト領域１８を有するＩＧＢＴ１０を製造することができる。
【００４５】
（第３実施例）
図２０を参照しながら、第３実施例のＩＧＢＴ製造方法について説明する。ｐ−型ボディ領域２０とｐ＋型ボディコンタクト領域２２とｎ＋型エミッタ領域２４とトレンチゲート電極３０とエミッタ電極３６とｎ−型半導体領域３１８を有する半導体基板３００を用意する点は、第１実施例及び第２実施例と同じである。
ただし、本実施例のｎ−型半導体領域３１８は、第１実施例や第２実施例と比べて薄く形成されている。ｎ−型半導体領域３１８の厚みはＤ３である。このＤ３は、図３や図１７に示されるＤ３と同じ大きさである。
半導体基板３００の表面３００ａに向けてプロトンを照射する。この場合の照射条件は、第１実施例及び第２実施例と同じである。図８に示されるように、Ｄ３を越える深さまで高抵抗一定領域Ａ１が形成される。本実施例では、ｎ−型半導体領域３１８の厚みがＤ３であるために、ｎ−型半導体領域３１８の深さ方向の全域に高抵抗一定領域Ａ１が形成される。
【００４６】
ｎ−型半導体領域３１８内に結晶欠陥を形成すると、半導体基板３００を加熱する。加熱処理を終えると、半導体基板３００の裏面３００ｂからｎ型不純物を注入する。ｎ−型半導体領域３１８の表面（ｐ−型ボディ領域２０の裏面）までｎ型不純物が到達しないように、ｎ型不純物の注入量が調整される。ｎ−型半導体領域３１８の中でｎ型不純物が到達しなかった領域が、図１のｎ−型ドリフト領域１８になる。ｎ−型半導体領域３１８の全域に高抵抗一定領域Ａ１が形成されているために、高抵抗一定領域Ａ１のみによってｎ−型ドリフト領域１８が構成されることになる。
半導体基板３００の裏面３００ｂからｐ型不純物を注入する点と、コレクタ電極を形成する点は、第１実施例及び第２実施例と同じである。
本実施例の製造方法によっても、高抵抗一定領域Ａ１のみによって構成されるドリフト領域１８を有するＩＧＢＴ１０を製造することができる。
【００４７】
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。
例えば、上記の実施例では、半導体材料にシリコンを用いているが、それ以外の半導体材料を用いてもよい。例えば、窒化ガリウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素等を半導体材料に用いてもよい。
また例えば、上記の実施例では、ＩＧＢＴを例としている。しかしながら、本発明の技術思想は、他のバイポーラトランジスタにも利用することができる。また、本発明の技術思想は、ダイオードにも利用することができる。
また、結晶欠陥を形成するための物質としてプロトンやヘリウム（３Ｈｅ）を必ずしも利用しなくてもよい。例えば、電子線、ヘリウム（４Ｈｅ）、デュートロン、ボロン等を利用してもよい。
また、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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施例のＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。
【図２】ＩＧＢＴの製造過程を示す（１）。
【図３】ＩＧＢＴの製造過程を示す（２）。
【図４】ＩＧＢＴの製造過程を示す（３）。
【図５】ＩＧＢＴの製造過程を示す（４）。
【図６】ＩＧＢＴの製造過程を示す（５）。
【図７】ＩＧＢＴの製造過程を示す（６）。
【図８】結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す。
【図９】ヘリウムを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝３００℃）。
【図１０】ヘリウムを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝３５０℃）。
【図１１】ヘリウムを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝４００℃）。
【図１２】ヘリウムを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝４５０℃）。
【図１３】プロトンを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝３００℃）。
【図１４】プロトンを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝３５０℃）。
【図１５】プロトンを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝４００℃）。
【図１６】プロトンを利用して結晶欠陥を形成した場合の深さ方向の比抵抗値分布を示す（加熱温度＝４５０℃）。
【図１７】第２実施例のＩＧＢＴ製造過程を示す（１）。
【図１８】第２実施例のＩＧＢＴの製造過程を示す（２）。
【図１９】第２実施例のＩＧＢＴの製造過程を示す（３）。
【図２０】第３実施例のＩＧＢＴの製造過程を示す。
【符号の説明】
【００４９】
１０：ＩＧＢＴ
１２：コレクタ電極
１４：ｐ型コレクタ領域
１６：ｎ型バッファ領域
１８：ｎ−型ドリフト領域
２０：ｐ−型ボディ領域
２２：ｐ＋型ボディコンタクト領域
２４：ｎ＋型エミッタ領域
３０：トレンチゲート電極
３２：ゲート絶縁体領域
３４：絶縁膜
Ａ１：高抵抗一定領域
Ａ３：変化領域
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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