(57)【要約】【課題】本技術は、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成するための半導体装置の製造方法、および、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を備える半導体装置に関するものである。【解決手段】半導体装置の製造方法は、表面にテクスチャ８を有する吸収体を介して、第１導電型の半導体基板内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層を形成する。そして、テクスチャ８は、表面に対し斜面を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にテクスチャを有する吸収体を介して、第１導電型の半導体基板内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層を形成し、
前記テクスチャは、前記表面に対し斜面を有する、
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記テクスチャが、複数の錐体が配列された形状である、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記テクスチャが、複数の略四角錐が配列された形状である、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体基板の裏面に形成された前記吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンを注入し、前記点欠陥層を形成する、
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板とは分離して形成された前記吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンを注入し、前記点欠陥層を形成する、
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記吸収体の前記半導体基板側の表面に形成された前記テクスチャを有する前記吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンを注入し、前記点欠陥層を形成する、
請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記吸収体の前記半導体基板側とは反対側の表面に形成された前記テクスチャを有する前記吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンを注入し、前記点欠陥層を形成する、
請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記点欠陥層の厚さが、前記テクスチャの高さＹに対応する、
請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記点欠陥層に存在する点欠陥の一部を、前記半導体基板の格子を置換しないイオンで修飾し、前記点欠陥層を第１導電型の層とする、
請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板内に形成される点欠陥層とを備え、
前記点欠陥層は、表面にテクスチャを有する吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンが注入されることによって形成され、
前記テクスチャは、前記表面に対し斜面を有する、
半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体基板が、ワイドバンドギャップ半導体からなる、
請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記点欠陥層の厚さが、前記テクスチャの高さＹに対応する、
請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記吸収体が、前記半導体基板の裏面に形成される、
請求項１０から請求項１２のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、より具体的には、パワーエレクトロニクス用半導体装置として好適な半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスに用いられる半導体装置（以下「パワー半導体デバイス」と記載する場合がある）は、多くの場合、スイッチングデバイスであるトランジスタと、整流デバイスであるダイオードとを対にして、パワー半導体モジュールに搭載される。
【０００３】
トランジスタとしては、ユニポーラデバイスである金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）、または、バイポーラデバイスである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわちＩＧＢＴ）などが挙げられる。
【０００４】
ダイオードとしては、ユニポーラデバイスであるショットキーバリアダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｄｉｏｄｅ、すなわちＳＢＤ）、または、バイポーラデバイスである真性半導体層を挟んだｐｎ接合ダイオード（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ  ｄｉｏｄｅ、すなわちＰＩＮ）などが挙げられる。
【０００５】
耐圧６００Ｖ程度以上のパワー半導体モジュールでは、多くの場合、高耐圧性、低抵抗性または大電流容量性の観点から、半導体基板の厚み方向一方側の表面（以下「基板表面」と記載する場合がある）に対して垂直に電流を流す、縦型のバイポーラデバイスが使用される。
【０００６】
縦型のバイポーラデバイスでは、しばしば、キャリアライフタイムの制御またはｎ型不純物層の形成を目的として、水素イオン（たとえば、プロトン）またはヘリウムイオン（たとえば、ヘリウム３原子核またはα粒子）といった軽元素イオンの注入が行われる。軽元素イオンの注入により、半導体基板の特定深さに高濃度の点欠陥が形成されることで、キャリアライフタイムが低下する。また、点欠陥にプロトンを修飾することで、点欠陥をドナー化させることができる。
【０００７】
ある加速エネルギーで半導体基板に注入された軽元素イオンの濃度分布はガウス分布を示し、その半値幅は加速エネルギーに対して正の相関を有する。軽元素イオンにより形成される点欠陥の濃度分布も、絶対値は異なるもののほぼ同様のガウス分布となる。つまり、高濃度の点欠陥が形成される領域（以下「高濃度点欠陥層」と記載する場合がある）の厚みは、軽元素イオンの加速エネルギーにより決まると言える。
【０００８】
高濃度点欠陥層の厚みを制御するために、加速エネルギーを変えて数回の軽元素イオン注入を繰り返し、実効的に厚みを増した高濃度点欠陥層を形成する方法が、たとえば特許文献１に例示される。
【０００９】
また、軽元素イオンを減速させる吸収体の厚みを２段階に設定して、２つの注入深さをオーバーラップさせることで、実効的に厚みを増した高濃度点欠陥層を形成する方法が、たとえば特許文献２に例示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００３−５３３０４７号公報
【特許文献２】特開２００３−２２４１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
点欠陥層の点欠陥の濃度は、深さ方向に均質であることが望ましい。点欠陥層の点欠陥の濃度が深さ方向に均質であれば、半導体装置のオン時（通電時）およびオフ時（電流阻止時）の印加電圧に対する電流の応答の設計、または、オンとオフとの切り換え時（ターンオン時またはターンオフ時）の電流波形または電圧波形などの設計が比較的容易になる。また、点欠陥の濃度が均質である場合の方が、点欠陥の濃度が複雑な分布を有する場合よりも製造ばらつきを抑えやすく、それに付随して、半導体装置の電気特性のばらつきも抑えやすい。
【００１２】
しかし、従来の方法で、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成することは効率的ではない。なぜなら、加速エネルギーを変えての軽元素イオン注入を繰り返すことで深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布にするためには、さらに多くのイオン注入回数が必要となるためである。形成される点欠陥層の厚みが増すほどイオン注入の回数が多くなり、また、イオン注入の回数が多いほど半導体装置の製造コストは高くなる。
【００１３】
また、２段階の厚みを有する吸収体を用いた軽元素イオン注入では、点欠陥層の厚みを増すほど、点欠陥の濃度分布における２つのピークは分離される。よって、平坦な点欠陥の濃度分布、換言すれば、均質な点欠陥の濃度からかけ離れることとなる。
【００１４】
本技術は、上記のような問題を解決するためのものであり、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成するための半導体装置の製造方法、および、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を備える半導体装置に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本技術の一態様に関する半導体装置の製造方法は、表面にテクスチャを有する吸収体を介して、第１導電型の半導体基板内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層を形成し、前記テクスチャは、前記表面に対し斜面を有する。
【００１６】
本技術の一態様に関する半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に形成される点欠陥層とを備え、前記点欠陥層は、表面にテクスチャを有する吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンが注入されることによって形成され、前記テクスチャは、前記表面に対し斜面を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本技術の一態様に関する半導体装置の製造方法は、表面にテクスチャを有する吸収体を介して、第１導電型の半導体基板内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層を形成し、前記テクスチャは、前記表面に対し斜面を有する。
【００１８】
このような構成によれば、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成することができる。
【００１９】
本技術の一態様に関する半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に形成される点欠陥層とを備え、前記点欠陥層は、表面にテクスチャを有する吸収体を介して、前記半導体基板内に軽元素イオンが注入されることによって形成され、前記テクスチャは、前記表面に対し斜面を有する。
【００２０】
このような構成によれば、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層が得られる。
【００２１】
本技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。
【図２】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。
【図３】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造における半導体基板の、裏面側から見た鳥瞰図である。
【図４】実施形態に関する半導体装置の製造途中における断面構造に対応する、深さ方向の点欠陥の濃度分布を例示する図である。
【図５】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。
【図６】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。
【図７】実施形態に関する半導体装置の製造途中における断面構造に対応する、ＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う深さ方向のキャリア濃度分布を例示する図である。
【図８】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。
【図９】実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。
【図１０】実施形態に関する、半導体基板に注入された軽元素イオンの振る舞いについて説明するための図である。
【図１１】実施形態に関する、半導体基板に注入された軽元素イオンの振る舞いについて説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付される図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示される画像の大きさと位置との相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
【００２４】
また、以下に示される説明において、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。
【００２５】
＜第１実施形態＞
＜構成＞
以下、本実施形態に関する半導体装置および半導体装置の製造方法について説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。図１においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００２７】
図１に例示される構造は、低濃度ｎ型の半導体基板１の表面にＩＧＢＴの表面構造が形成された後の状態を示すものである。また、図１に例示される構造は、半導体基板１の裏面が研削される前の状態を示すものである。
【００２８】
半導体基板１の表面には、開口部を有する複数のトレンチ１０００が形成される。ここで、トレンチ１０００の底部から半導体基板１の表面に至る部分（換言すれば、トレンチ１０００の底部から半導体基板１の表面までの範囲において、トレンチ１０００の形成後に残る部分）を、メサ部１００１と呼ぶことにする。すなわち、隣り合うトレンチ１０００の間の部分がメサ部１００１であり、隣り合うメサ部１００１の間の空間がトレンチ１０００である。
【００２９】
各トレンチ１０００内には、ゲート電極であるトレンチゲート２が埋め込まれる。各トレンチゲート２は、トレンチゲート２を囲むゲート絶縁膜３によって、半導体基板１から絶縁される。この場合、ゲート絶縁膜３は、トレンチゲート２とメサ部１００１との間に配置される。
【００３０】
メサ部１００１の表層には、ｐ型の不純物層であるベース層４が設けられる。ベース層４の表層の一部、すなわち半導体基板１の表層の一部には、高濃度のｎ型の不純物層であるエミッタ層５が設けられる。エミッタ層５は、ゲート絶縁膜３と接触する。また、エミッタ層５は、ゲート絶縁膜３と接触する側とは反対側および底部において、ベース層４と接触する。
【００３１】
ベース層４とエミッタ層５とは、半導体基板１の表面においてエミッタ電極６に接続される。エミッタ電極６とトレンチゲート２との間には、層間絶縁膜７が設けられる。層間絶縁膜７によって、エミッタ電極６はトレンチゲート２から絶縁される。
【００３２】
また、トレンチゲート２は、図１では図示されない箇所において、ゲート電極（ここでは図示せず）に接続される。
【００３３】
図２は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。図２においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。図３は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造における半導体基板の、裏面側から見た鳥瞰図である。
【００３４】
図２に例示される構造は、図１に例示される構造の半導体基板１の裏面が研削され、当該裏面にテクスチャ８を形成された状態を示すものである。図２における半導体基板１ａの厚みは、後の製造工程において注入される軽元素イオンの種類と、軽元素イオンの加速エネルギーと、軽元素イオンが停止する位置とに基づいて決められる。
【００３５】
加速エネルギーと、軽元素イオンの半導体基板１ａへの注入深さ（以下「飛程」と呼ぶことがある）との間には、正の相関がある。そのため、半導体基板１ａの裏面側から軽元素イオンが注入される場合、半導体基板１ａの表面から見て同じ深さに軽元素イオンを停止させるためには、加速エネルギーの大きさに応じて、半導体基板１ａが厚く形成される必要がある。
【００３６】
図３に例示されるテクスチャ８は、底面が長さがＸ（四角錐の間隔Ｘ）の正方形で高さＹである四角錐が規則的に配列された形状である。しかし、テクスチャ８は、このように規則的に配列された形状に限られず、表面に斜面を有する形状、錐体が配列された形状、または、ある程度のランダム性を有する形状であってもよい。その場合、四角錐の平均的な間隔（間隔の平均値または中央値）を間隔Ｘとし、四角錐の平均的な高さ（高さの平均値または中央値）を高さＹとする。
【００３７】
テクスチャ８は、マスクを用いたドライエッチング、または、酸またはアルカリを用いたウェットエッチングによって形成される。特に、半導体基板１ａがシリコンであり、半導体基板１ａの面方位が（１００）面である場合、アルカリによるウェットエッチングにより、容易に、四角錐の間隔Ｘおよび高さＹが数μｍ程度以上１０μｍ程度以下である四角錐状からなるテクスチャを形成することができる。これは、＜１１１＞方向のエッチング速度に比べて＜１００＞方向のエッチング速度が大きく、（１００）面からエッチングすると、エッチング速度の遅い（１１１）面が残るためである。一般に、ＩＧＢＴに用いられるシリコン基板の面方位は（１００）面であることが多いため、上記のアルカリエッチングが有効である。
【００３８】
図４は、本実施形態に関する半導体装置の製造途中における断面構造に対応する、深さ方向の点欠陥の濃度分布（以下「点欠陥の濃度プロファイル」と呼ぶことがある）を例示する図である。図４の深さ方向の点欠陥の濃度分布においては、縦軸が深さを示し、横軸が点欠陥濃度を示す。図４においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００３９】
図４に例示される構造は、図２に例示される構造の半導体基板１ａの裏面側から半導体基板１ａの表面に対して垂直な方向に、軽元素イオンを注入した後の状態を示すものである。
【００４０】
図４に例示されるように、半導体基板１ａの表面から埋め込まれた位置に高濃度点欠陥層９が形成される。高濃度点欠陥層９においては、比較的高濃度の点欠陥とともに、注入された軽元素イオンが存在する。また、高濃度点欠陥層９が形成される位置からテクスチャ８が形成される半導体基板１ａの裏面までの領域には、低濃度点欠陥層１０が形成される。低濃度点欠陥層１０には、軽元素イオンが通過することにより生じた点欠陥が比較的低濃度で存在する。
【００４１】
図４に例示されるように、高濃度点欠陥層９の点欠陥の濃度分布には、テクスチャ８の四角錐の高さＹ程度の平坦な範囲が生じる。このような点欠陥の濃度分布になるためには、テクスチャ８の四角錐の間隔Ｘが、「テクスチャ８がない場合に軽元素イオンの注入により形成される、点欠陥の濃度分布の半値幅Ｚ」の少なくとも１．５倍程度以下（ガウス分布の標準偏差σで言うと、３．５３σ程度以下）である必要がある。間隔Ｘを半値幅Ｚ以下（ガウス分布の標準偏差σで言うと、２．３５σ以下）にすれば、点欠陥の濃度がさらに均質な、高濃度点欠陥層９が得られる。
【００４２】
ここで、高濃度点欠陥層９の点欠陥の濃度分布に高さＹ程度の平坦な範囲が生じる理由を、図１０と図１１とを用いて説明する。ここで、図１０および図１１は、半導体基板１ａに注入された軽元素イオンの振る舞いについて説明するための図である。
【００４３】
まず、半導体基板１ａの裏面における１点を通るように、半導体基板１ａの表面に対して垂直な方向に、軽元素イオンを注入することを想定する。半導体基板１ａの裏面の１点から注入された軽元素イオンは、半導体基板１ａの内部において、半導体基板１ａを構成する原子または電子により散乱されて運動エネルギーを失い（つまり、減速し）、最終的に半導体基板１ａの裏面からの飛程の中心値４０付近の深さで停止する。
【００４４】
その際、軽元素イオンの停止位置の確率分布は、飛程の中心値４０を中心にした３次元的なガウス分布にしたがう。このガウス分布の半値幅がＺであるとみなすことができる。無数の軽元素イオンを同様に注入すると、飛程の中心値４０を中心とする３次元的なガウス分布とみなすことができる広がり４１を有する、軽元素イオンの濃度分布が形成される。
【００４５】
点欠陥の濃度分布は、飛程の中心値４０付近では軽元素イオンの濃度分布とほぼ同様であり、３次元的なガウス分布とみなすことができる広がり４１を有する分布となる。飛程の中心値４０における、軽元素イオンの濃度のピーク値と点欠陥の濃度のピーク値とは異なるが、３次元的なガウス分布とみなすことができる広がり４１の中の任意の位置における、軽元素イオンの濃度と点欠陥の濃度との比率はほぼ一定である。
【００４６】
次に、高さＹのテクスチャ８が形成された半導体基板１ａの裏面全体に対して、半導体基板１ａの表面に対して垂直な方向に、軽元素イオンを注入することを想定する。
【００４７】
飛程の中心値４２は、高さＹのテクスチャ８の形状を受け継ぐ。そして、飛程の中心値４２を中心とする無数の３次元的なガウス分布とみなすことができる広がり４３はお互いに重なり合って形成される。その結果、飛程の中心値４２付近の点欠陥の濃度分布には、高さＹ程度の平坦な範囲が生じる。
【００４８】
図５は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。図５においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００４９】
図５に例示される構造は、図４に例示される構造の半導体基板１ａの裏面側から、高濃度点欠陥層９を残して半導体基板１ａを研削した後の状態を示すものである。研削により、テクスチャ８と低濃度点欠陥層１０とは取り除かれる。ここで、わずかに低濃度点欠陥層１０が残っていてもよいし、わずかに高濃度点欠陥層９が削られていてもよい。
【００５０】
図６は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。図６においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００５１】
図６に例示される構造は、図５に例示される構造の半導体基板１ｂの裏面側にｐ型の不純物層であるコレクタ層１１を設け、コレクタ層１１よりも半導体基板１ｂの表面側にｎ型の不純物層であるバッファ層１２を設け、さらに、コレクタ層１１よりも半導体基板１ｂの裏面側に、コレクタ沿う１１と接触するコレクタ電極１３を設けることにより、半導体装置、具体的にはＩＧＢＴとして完成させたものである。
【００５２】
図６に例示される構造は、比較的厚く、かつ、均質な高濃度点欠陥層９を有する。そのため、どのような電源電圧であっても、ターンオフ時に安定して電流を素早く遮断することができる。なお、電源電圧は、オフ時のコレクタとエミッタとの間の電圧に等しい。
【００５３】
＜第２実施形態＞
＜構成＞
本実施形態に関する半導体装置および半導体装置の製造方法について説明する。以下では、上記の実施形態で説明された構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。
【００５４】
図７は、本実施形態に関する半導体装置の製造途中における断面構造に対応する、ＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う深さ方向のキャリア濃度分布（以下「キャリア濃度プロファイル」と呼ぶことがある）を例示する図である。図７の深さ方向のキャリア濃度分布においては、縦軸が深さを示し、横軸がキャリア濃度を示す。図７においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００５５】
図７に例示される構造は、たとえば、水素イオンが高濃度に注入された状態を示すものである。水素イオンの注入により、高濃度点欠陥層には高濃度の点欠陥と高濃度の水素イオンとが同時に供給される。また、図７に例示される構造は、ヘリウムイオンが高濃度に注入された後で、水素イオンの存在する雰囲気中で処理された状態であってもよい。ヘリウムイオンの注入で高濃度点欠陥層が形成された後に、水素イオンの存在する雰囲気中で処理されることにより、半導体基板１ｂの裏面から高濃度点欠陥層に水素イオンが供給される。
【００５６】
半導体基板１ｂがシリコンである場合、この状態で３５０℃程度以上４００℃程度以下での熱処理がなされることにより、点欠陥の一部であるシリコンの格子欠陥に水素イオンが修飾され、複合的な点欠陥となる。これにより、高濃度点欠陥層をｎ型化することができる。その結果、高濃度点欠陥層は、厚く均質なキャリア濃度のバッファ層２０として利用することができる。
【００５７】
したがって、本実施形態では、図６に例示される構造において高濃度点欠陥層９とコレクタ層１１との間に形成されたバッファ層１２を省略することができ、ＩＧＢＴの製造コストを低減することができる。
【００５８】
また、図７に例示される構造は、厚く均質なバッファ層２０を有するため、ターンオフ時に安定して電流振動または電圧振動（リンギング）を抑制することができる。さらに、図７に例示される構造は、短絡またはダイナミックアバランシェ降伏が生じた場合の半導体基板１ｂの裏面側における電界集中を緩和することができる。これらの効果により、ＩＧＢＴの破壊耐量が改善される。
【００５９】
＜第３実施形態＞
本実施形態に関する半導体装置および半導体装置の製造方法について説明する。以下では、上記の実施形態で説明された構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。
【００６０】
図８は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。図８においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００６１】
図８に例示される構造は、図１に例示される構造の半導体基板１の裏面を最終的なＩＧＢＴにおける厚みまで研削した後に、軽元素イオン源と研削された半導体基板１ｃの裏面との間に吸収体３０を設置して軽元素イオンを注入し、高濃度点欠陥層９ｃを形成した状態を示すものである。
【００６２】
吸収体３０の軽元素イオン源側の表面、すなわち、吸収体３０の半導体基板１ｃ側とは反対側の表面にはテクスチャ８が形成される。吸収体３０の材料は、半導体基板１ｃと同じでもよいし、金属、セラミックスまたは有機物などのような材料であってもよい。ただし、材料の比重が大きくなると、軽元素イオンの減速が強まるため、吸収体３０の厚みは、吸収体３０の材料によって変える必要がある。
【００６３】
たとえば、半導体基板１ｃの材料のＡ倍の比重をもつ材料が吸収体３０に用いられる場合、吸収体の厚みは１／Ａである。この場合、テクスチャ８の四角錐の高さＹをＹ／Ａとした場合でも、高濃度点欠陥層９ｃの点欠陥の濃度分布にはＹ程度の平坦な範囲を生じさせることができる。ただし、平坦な点欠陥の濃度分布が得られる最大のテクスチャ８の四角錐の間隔Ｘは、吸収体３０の材料によっては変わらない。
【００６４】
図９は、本実施形態に関する半導体装置の、製造途中における構造を例示する断面図である。図９においては、半導体装置の一例としてＩＧＢＴが示される。
【００６５】
図９に例示される構造は、図１に例示される構造の半導体基板１の裏面を最終的なＩＧＢＴにおける厚みまで研削した後に、軽元素イオン源と研削された半導体基板１ｃの裏面との間に吸収体３１を設置して軽元素イオンを注入し、高濃度点欠陥層９ｃを形成した状態を示すものである。
【００６６】
吸収体３１の半導体基板１ｃ側の表面にはテクスチャ８が形成される。吸収体３０の材料は、半導体基板１ｃと同じでもよいし、金属、セラミックスまたは有機物などのような材料であってもよい。ただし、材料の比重が大きくなると、軽元素イオンの減速が強まるため、吸収体３０の厚みは、吸収体３０の材料によって変える必要がある。
【００６７】
本実施形態によれば、半導体基板１の研削回数を１回にすることができるため、半導体装置の製造コストを低減することができる。また、高濃度点欠陥層９を形成した後に研削する必要がないため、完成したＩＧＢＴにおける高濃度点欠陥層９の、半導体基板１ｃの裏面からの深さのばらつきを抑制することができる。
【００６８】
さらに、吸収体３０または吸収体３１は、軽元素イオンの注入装置に設置されることによって繰り返し使用することができる。そのため、半導体装置の製造コストを低減でき、また、製造ばらつきを抑制することができる。
【００６９】
なお、本実施形態に示される構造は、第２実施形態に示される構造に対しても適用することができる。吸収体３０または吸収体３１を用いた軽元素イオンの注入は、高濃度点欠陥層９をｎ型化することを何ら妨げない。
【００７０】
＜効果＞
以下に、上記の実施形態による効果を例示する。
【００７１】
上記の実施形態によれば、半導体装置の製造方法において、表面にテクスチャ８を有する吸収体としての半導体基板１ａの裏面を介して、第１導電型の半導体基板１ａ内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層としての高濃度点欠陥層９を形成する。ここで、テクスチャ８は、表面に対し斜面を有する。
【００７２】
また、上記の実施形態によれば、半導体装置の製造方法において、表面にテクスチャ８を有する吸収体３０を介して、第１導電型の半導体基板１ｃ内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層としての高濃度点欠陥層９ｃを形成する。ここで、テクスチャ８は、表面に対し斜面を有する。
【００７３】
また、上記の実施形態によれば、半導体装置の製造方法において、表面にテクスチャ８を有する吸収体３１を介して、第１導電型の半導体基板１ｃ内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層としての高濃度点欠陥層９ｃを形成する。ここで、テクスチャ８は、表面に対し斜面を有する。
【００７４】
このような構成によれば、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成することができる。
【００７５】
上記のようにイオン注入の回数が増加しないため、半導体装置の製造コストの増加も抑制することができる。また、半導体装置の設計が容易となり、半導体装置の製造ばらつきも抑制することができる。
【００７６】
このような深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を備えるＩＧＢＴは、どのような電源電圧であっても、ターンオフ時に安定して電流を素早く遮断することができる。
【００７７】
また、上記の実施形態によれば、テクスチャ８が、複数の錐体が配列された形状である。
【００７８】
このような構成によれば、錐体の斜面の形状を受け継ぐ点欠陥の濃度分布が、深さ方向に連続的に形成される。そのため、各錐体の間隔が小さければ、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成することができる。
【００７９】
また、上記の実施形態によれば、テクスチャ８が、複数の略四角錐が配列された形状である。
【００８０】
このような構成によれば、略四角錐の斜面の形状を受け継ぐ点欠陥の濃度分布が、深さ方向に連続的に形成される。そのため、各略四角錐の間隔が小さければ、イオン注入の回数を増加させずに、深さ方向に均質な点欠陥の濃度分布を有する点欠陥層を形成することができる。
【００８１】
上記のようにイオン注入の回数が増加しないため、半導体装置の製造コストの増加も抑制することができる。また、半導体装置の設計が容易となり、半導体装置の製造ばらつきも抑制することができる。
【００８２】
また、上記の実施形態によれば、半導体基板１ｃとは分離して形成された吸収体３０を介して、半導体基板１ｃ内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層としての高濃度点欠陥層９ｃを形成する。
【００８３】
また、上記の実施形態によれば、半導体基板１ｃとは分離して形成された吸収体３１を介して、半導体基板１ｃ内に軽元素イオンを注入し、点欠陥層としての高濃度点欠陥層９ｃを形成する。
【００８４】
このような構成によれば、半導体基板の研削回数を１回に減らすことができるため、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【００８５】
また、高濃度点欠陥層９ｃを形成した後には半導体基板を研削する必要がない。そのため、完成したＩＧＢＴにおける高濃度点欠陥層９ｃの、半導体基板１ｃの裏面からの深さのばらつきを抑制することができる。
【００８６】
さらに、吸収体３０または吸収体３１は、軽元素イオン注入装置に設置して繰り返し使用することができる。そのため、半導体装置の製造コストを低減でき、また、半導体装置の製造ばらつきを抑制することができる。
【００８７】
また、上記の実施形態によれば、点欠陥層としての高濃度点欠陥層に存在する点欠陥の一部を、半導体基板１ａの格子を置換しないイオン（上記の実施形態では水素イオン）で修飾し、点欠陥層としての高濃度点欠陥層を第１導電型の層とする。
【００８８】
このような構成によれば、ターンオフ時に安定して電流振動および電圧振動（リンギング）を抑制することができる。さらに、短絡またはダイナミックアバランシェ降伏が生じた場合の、半導体基板の裏面側における電界集中を緩和することができる。これらの効果により、ＩＧＢＴの破壊耐量が改善される。
【００８９】
また、別途バッファ層を形成する必要がなくなるため、ＩＧＢＴの製造コストを低減することができる。
【００９０】
＜変形例＞
第１実施形態および第３実施形態では、ｎ型の半導体基板にＩＧＢＴが形成される場合が説明されたが、半導体基板および不純物層の導電型をすべて逆にしても、同様の効果を得ることができる。ただし、第２実施形態に示される構造における、半導体基板および不純物層の導電型をすべて逆にしても、少なくとも、シリコンの格子欠陥と水素イオンとの組み合わせでは、高濃度点欠陥層のｐ型化はできない。
【００９１】
また、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態では、半導体装置としてスイッチングデバイスであるＩＧＢＴが例として説明されたが、半導体装置は整流デバイスであるＰＩＮであってもよいし、１つのデバイスがスイッチングデバイスと整流デバイスとの両方の機能を有する構造であってもよい。
【００９２】
また、第３実施形態では、半導体基板１ｃの裏面と軽元素イオン源との間に吸収体３０または吸収体３１が設けられ軽元素イオンが注入される例が説明されたが、半導体基板１ｃの表面と軽元素イオン源との間に吸収体３０または吸収体３１が設けられ軽元素イオンが注入される場合であっても構わない。半導体装置がＰＩＮである場合、このような方法がダイオードの逆回復時間の低減に有効なことがある。
【００９３】
また、半導体基板の材料は、シリコン（Ｓｉ）に限定されず、ワイドバンドギャップを有する半導体材料、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）系材料、または、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンド系材料、または、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）系材料で構成された基板を使用してもよい。ここで、ワイドバンドギャップを有する半導体材料とは、一般に、およそ２ｅＶ以上の禁制帯幅をもつ半導体を指し、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの３族窒化物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの２族酸化物、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などの２族カルコゲナイド、ダイヤモンドおよび炭化珪素（ＳｉＣ）などが知られている。
【００９４】
このようなワイドバンドギャップ半導体によって構成されたスイッチングデバイスまたは整流デバイスは、耐圧（耐電圧性）が高く、許容電流密度も高い。このため、シリコンに比べて半導体装置の小型化が可能である。そのように小型化されたスイッチングデバイスまた整流デバイスを用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体装置モジュールの小型化が可能となる。
【００９５】
また、ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いので、ヒートシンクの放熱フィンを小型化することが可能である。また、水冷ではなく空冷による冷却も適用可能である。これらの結果、これらの素子を組み込んだ半導体装置モジュールの小型化が可能となる。
【００９６】
第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態では、注入する軽元素イオンとして、水素イオンはプロトンが、ヘリウムイオンはα粒子（ヘリウム４原子核）がそれぞれ想定される。しかし、注入する軽元素イオンは、これらの同位体でもよい。たとえば、ヘリウムイオンはヘリウム３原子核であってもよい。また、ヘリウムより重い元素のイオンであっても、第１実施形態および第３実施形態に示された製造方法は、テクスチャの四角錐の間隔Ｘおよび高さＹの最大値が小さくなるものの、原理的に適用可能である。
【００９７】
第２実施形態では、シリコンの格子欠陥への水素イオンの修飾によるｎ型化が例示されたが、他の半導体材料とイオンとの組み合わせでも、ｎ型化およびｐ型化が生じる可能性がある。半導体材料の格子欠陥に修飾するイオンは、半導体材料の格子を置換しないものであれば、どのような元素であっても構わない。
【００９８】
上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本明細書に記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、本技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれる。
【００９９】
また、矛盾が生じない限り、上記実施形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていてもよい。さらに、各構成要素は概念的な単位であって、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が１つの構造物に備えられる場合とを含む。また、各構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれる。
【０１００】
また、本明細書における説明は、本技術に関するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。
【０１０１】
また、上記実施形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１０２】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  半導体基板、２  トレンチゲート、３  ゲート絶縁膜、４  ベース層、５  エミッタ層、６  エミッタ電極、７  層間絶縁膜、８  テクスチャ、９，９ｃ  高濃度点欠陥層、１０  低濃度点欠陥層、１１  コレクタ層、１２，２０  バッファ層、１３  コレクタ電極、３０，３１  吸収体、４０，４２  飛程の中心値、４１，４３  ガウス分布とみなすことができる広がり、１０００  トレンチ、１００１  メサ部、Ｘ  間隔、Ｙ  高さ、Ｚ  半値幅。
【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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