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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024137244
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 29/861 20060101AFI20240927BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20240927BHJP
H01L 21/329 20060101ALI20240927BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20240927BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20240927BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20240927BHJP
H01L 29/739 20060101ALI20240927BHJP
H01L 21/8249 20060101ALI20240927BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
H01L29/91 J
H01L29/06 301G
H01L29/06 301V
H01L29/91 C
H01L29/06 301D
H01L29/91 A
H01L29/78 652Q
H01L29/78 652P
H01L29/78 653A
H01L29/78 652T
H01L29/78 658H
H01L29/78 652G
H01L29/78 655A
H01L29/78 657D
H01L29/78 655B
H01L27/06 321E
H01L27/088 B
H01L27/06 102A
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023048689
(22)【出願日】2023-03-24
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004026
【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 慎哉
【テーマコード（参考）】
5F048
【Ｆターム（参考）】
5F048AB10
5F048AC06
5F048AC10
5F048BA11
5F048BA12
5F048BA14
5F048BB19
5F048BC03
5F048BC07
5F048BC12
5F048BD07
(57)【要約】
【課題】スイッチング損失を低減可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１電極と、第１導電形の第１半導体領域と、第１領域と、第２導電形の第２半導体領域と、第２電極と、を備える。第１半導体領域は、第１電極の上に設けられている。第１領域は、第１半導体領域中に設けられている。第１領域における炭素の濃度は、第１半導体領域における炭素の濃度よりも高い。第１領域における第１元素の濃度は、第１半導体領域における第１元素の濃度よりも高い。第１元素は、白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである。第２半導体領域は、第１半導体領域の上に設けられている。第２電極は、第２半導体領域の上に設けられている。
【選択図】図２
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１電極と、第１導電形の第１半導体領域と、第１領域と、第２導電形の第２半導体領域と、第２電極と、を備える。第１半導体領域は、第１電極の上に設けられている。第１領域は、第１半導体領域中に設けられている。第１領域における炭素の濃度は、第１半導体領域における炭素の濃度よりも高い。第１領域における第１元素の濃度は、第１半導体領域における第１元素の濃度よりも高い。第１元素は、白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである。第２半導体領域は、第１半導体領域の上に設けられている。第２電極は、第２半導体領域の上に設けられている。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項2】
前記第２電極と前記第１領域との間の距離は、前記第１電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第１半導体領域は、第１部分と、前記第１部分の上に設けられた第２部分と、を含み、
前記第２部分におけるｎ形不純物濃度は、前記第１部分におけるｎ形不純物濃度よりも低く、
前記第１領域は、前記第１部分中に設けられた、請求項３に記載の半導体装置。
前記第２部分におけるｎ形不純物濃度は、前記第１部分におけるｎ形不純物濃度よりも低く、
前記第１領域は、前記第１部分中に設けられた、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第１半導体領域中に設けられた第２領域をさらに備え、
前記第２領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の前記濃度よりも高く、
前記第２領域における前記第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の前記濃度よりも高く、
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、
前記第２電極と前記第２領域との間の距離は、前記第１電極と前記第２領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
前記第２領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の前記濃度よりも高く、
前記第２領域における前記第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の前記濃度よりも高く、
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、
前記第２電極と前記第２領域との間の距離は、前記第１電極と前記第２領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
をさらに備えた、請求項１に記載の半導体装置。
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
をさらに備えた、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項7】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第２半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第２半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第２半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第２半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項8】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第１電極の一部と前記第１半導体領域の前記一部との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
前記第１電極の別の一部と前記第１半導体領域の別の一部との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の上に設けられた第２導電形の第６半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域、前記第４半導体領域、及び前記第６半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第１電極の一部と前記第１半導体領域の前記一部との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
前記第１電極の別の一部と前記第１半導体領域の別の一部との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の上に設けられた第２導電形の第６半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域、前記第４半導体領域、及び前記第６半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項9】
前記第１元素は白金である、請求項１～８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ダイオード、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）、Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor（ＲＣ－ＩＧＢＴ）などの半導体装置は、電力変換等の用途に用いられる。これらの半導体装置について、スイッチング損失は小さいことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１３－６９９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、スイッチング損失を低減可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態に係る半導体装置は、第１電極と、第１導電形の第１半導体領域と、第１領域と、第２導電形の第２半導体領域と、第２電極と、を備える。前記第１半導体領域は、前記第１電極の上に設けられている。前記第１領域は、前記第１半導体領域中に設けられている。前記第１領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高い。前記第１領域における第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高い。前記第１元素は、白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである。前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域の上に設けられている。前記第２電極は、前記第２半導体領域の上に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0008】
以下の説明において、ｎ＋、ｎ、ｎ－及びｐ＋、ｐの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、ｎ＋はｎよりもｎ形の不純物濃度が相対的に高く、ｎ－はｎよりもｎ形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、ｐ＋はｐよりもｐ形の不純物濃度が相対的に高く、ｐ－はｐよりもｐ形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のｐ形とｎ形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
【0009】
実施形態の説明では、ＸＹＺ直交座標系を用いる。第１電極から第１半導体領域に向かう方向をＺ方向（第１方向）とする。Ｚ方向に対して垂直であり、相互に直交する二方向をＸ方向（第２方向）及びＹ方向（第３方向）とする。また、説明のために、第１電極から第１半導体領域に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、第１電極と第１半導体領域との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。
【0010】
（第１実施形態）
図１及び図２は、第１実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図３は、図１及び図２のＡ１－Ａ２断面図である。
第１実施形態に係る半導体装置は、ダイオードである。図１～図３に示すように、第１実施形態に係る半導体装置１００は、ｎ形（第１導電形の一例）のカソード領域１０１（第１半導体領域の一例）、ｐ形（第２導電形の一例）のアノード領域１０２（第２半導体領域の一例）、コンタクト領域１０３、ガードリング領域１０４、絶縁層１０５、第１領域１１１、カソード電極１２１（第１電極の一例）、及びアノード電極１２２（第２電極の一例）を含む。なお、図２では、絶縁層１０５が省略され、アノード電極１２２が破線で示されている。
図１及び図２は、第１実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図３は、図１及び図２のＡ１－Ａ２断面図である。
第１実施形態に係る半導体装置は、ダイオードである。図１～図３に示すように、第１実施形態に係る半導体装置１００は、ｎ形（第１導電形の一例）のカソード領域１０１（第１半導体領域の一例）、ｐ形（第２導電形の一例）のアノード領域１０２（第２半導体領域の一例）、コンタクト領域１０３、ガードリング領域１０４、絶縁層１０５、第１領域１１１、カソード電極１２１（第１電極の一例）、及びアノード電極１２２（第２電極の一例）を含む。なお、図２では、絶縁層１０５が省略され、アノード電極１２２が破線で示されている。
【0011】
図１及び図２に示すように、アノード電極１２２は、半導体装置１００の上面に設けられている。アノード電極１２２の周囲において、半導体装置１００の上面は、絶縁層１０５に覆われている。図３に示すように、カソード電極１２１は、半導体装置１００の下面に設けられている。
【0012】
コンタクト領域１０３は、カソード電極１２１とアノード電極１２２との間において、カソード電極１２１の上に設けられている。コンタクト領域１０３は、カソード電極１２１と電気的に接続されている。カソード領域１０１は、コンタクト領域１０３の上に設けられている。コンタクト領域１０３におけるｎ形不純物濃度は、カソード領域１０１におけるｎ形不純物濃度よりも低い。
【0013】
アノード領域１０２は、カソード領域１０１の上に設けられている。カソード領域１０１とアノード領域１０２との間に、ｐｎ接合が形成されている。アノード領域１０２は、ｐ形半導体部１０２ａ及びｐ＋形半導体部１０２ｂを含む。ｐ＋形半導体部１０２ｂは、ｐ形半導体部１０２ａの少なくとも一部の上に設けられている。ｐ＋形半導体部１０２ｂにおけるｐ形不純物濃度は、ｐ形半導体部１０２ａにおけるｐ形不純物濃度よりも高い。アノード電極１２２は、アノード領域１０２の上に設けられ、アノード領域１０２と電気的に接続されている。
【0014】
ガードリング領域１０４は、Ｘ－Ｙ面に沿って、アノード領域１０２の周りに設けられている。ガードリング領域１０４は、アノード領域１０２から離れている。図示したように、半導体装置１００の外周に向けて、複数のガードリング領域１０４が設けられても良い。複数のガードリング領域１０４は互いに離れている。
【0015】
第１領域１１１は、カソード領域１０１の中に設けられている。第１領域１１１における炭素の濃度は、カソード領域１０１における炭素の濃度よりも高い。また、第１領域１１１における第１元素の濃度は、カソード領域１０１における第１元素の濃度よりも高い。第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである。
【0016】
図示した例では、第１領域１１１は、Ｘ－Ｙ面に沿って広がっている。すなわち、第１領域１１１のＺ方向における長さは、第１領域１１１のＸ方向における長さよりも短く、第１領域１１１のＹ方向における長さよりも短い。
【0017】
半導体装置１００は、図１及び図３に示すように、素子領域ＣＲと、素子領域ＣＲの周りに設けられた終端領域ＴＲと、を含む。カソード領域１０１及び１０３は、素子領域ＣＲ及び終端領域ＴＲに設けられている。アノード領域１０２は、素子領域ＣＲに設けられている。ガードリング領域１０４は、終端領域ＴＲに設けられている。アノード電極１２２は、素子領域ＣＲの上に設けられている。例えば、第１領域１１１は、素子領域ＣＲと終端領域ＴＲの両方に設けられている。
【0018】
図４は、濃度プロファイルを例示する模式図である。
図４は、図３のＬ１－Ｌ２線上における濃度プロファイルを示す。図４において、横軸はＺ方向における位置を示し、縦軸は濃度を示す。プロファイルＰ１は炭素の濃度を示し、プロファイルＰ２は第１元素の濃度を示す。図４に示すように、カソード領域１０１に含まれる元素をＺ方向に沿って分析した際、他の領域よりも高い炭素の濃度を有し、且つ他の領域よりも高い第１元素の濃度を有する領域が、第１領域１１１として特定される。
図４は、図３のＬ１－Ｌ２線上における濃度プロファイルを示す。図４において、横軸はＺ方向における位置を示し、縦軸は濃度を示す。プロファイルＰ１は炭素の濃度を示し、プロファイルＰ２は第１元素の濃度を示す。図４に示すように、カソード領域１０１に含まれる元素をＺ方向に沿って分析した際、他の領域よりも高い炭素の濃度を有し、且つ他の領域よりも高い第１元素の濃度を有する領域が、第１領域１１１として特定される。
【0019】
第１領域１１１は、例えば以下の方法により特定できる。カソード領域１０１をＺ方向に分析し、炭素の濃度及び第１元素の濃度のプロファイルを取得する。分析には、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）やカソードルミネッセンス法、フォトルミネッセンス法、Deep Level Transient Spectroscopy（ＤＬＴＳ法）が用いられる。カソードルミネッセンス法及びフォトルミネッセンス法では、第１元素及び炭素によって形成される特定のエネルギー準位（結晶欠陥）で信号が観測される。ＤＬＴＳ法では、結晶欠陥の濃度が測定される。カソードルミネッセンス法又はフォトルミネッセンス法で得られた信号強度のプロファイル、及びＤＬＴＳ法で得られた結晶欠陥の濃度プロファイルは、それぞれ、元素の濃度プロファイルに対応する。ここでは、ＳＩＭＳにより測定された元素の濃度プロファイルにおける第１領域１１１の特定方法を説明する。カソードルミネッセンス法又はフォトルミネッセンス法が用いられる場合、以下の説明における「濃度プロファイル」は、「信号の強度プロファイル」に読み替える。ＤＬＴＳ法が用いられる場合、「濃度プロファイル」は、結晶欠陥の濃度プロファイルに相当する。
【0020】
まず、炭素のプロファイルにおいて、濃度の低い領域を特定する。「濃度の低い領域」とは、検出限界以下の領域である。炭素のプロファイルにおいて、検出限界を超えて炭素濃度が増大している領域を特定する。いずれの領域でも炭素濃度が検出限界を超えている場合は、カソード電極１２１とアノード電極１２２との間の各半導体領域について、Ｚ方向における炭素濃度のヒストグラムを取得する。そして、最も濃度の低い母集団を、「濃度の低い領域」として特定する。この場合、濃度の低い領域における平均値及び標準偏差σを計算する。平均値±１σを超えて炭素濃度が増大している領域を特定する。
【0021】
同様に、第１元素の濃度プロファイルにおいて、検出限界以下の領域を「濃度の低い領域」として特定し、検出限界を超えて第１元素の濃度が増大している領域を特定する。いずれの領域でも第１元素の濃度が検出限界を超えている場合は、カソード電極１２１とアノード電極１２２との間の各半導体領域について、Ｚ方向における第１元素の濃度のヒストグラムを取得する。そして、最も濃度の低い母集団を、「濃度の低い領域」として特定する。この場合、濃度の低い領域における平均値及び標準偏差を計算する。濃度の平均値±１σを超えて、第１元素の濃度の増大している領域を特定する。炭素濃度が増大し、且つ第１元素濃度が増大している領域が、第１領域１１１と判断される。
【0022】
図４に示す例では、炭素の濃度プロファイルから、炭素の濃度が低い領域ｒ１が特定される。領域ｒ１における濃度の平均値Ａ１及び標準偏差σが計算される。平均値Ａ１±１σを超えた領域ｒ２が特定される。同様に、第１元素の濃度プロファイルから、第１元素の濃度が低い領域ｒ３が特定される。領域ｒ３における濃度の平均値Ａ２及び標準偏差σが計算される。平均値Ａ２±１σを超えた領域ｒ４が特定される。領域ｒ２と領域ｒ４の双方に含まれる領域が、第１領域１１１として特定される。
【0023】
図４に示すように、炭素の濃度が高い領域では、第１元素の濃度も高い。すなわち、濃度プロファイルから、炭素は、第１元素に対してゲッタリングの効果を有することが分かる。
【0024】
図５は、第１実施形態に係る半導体装置の特性を例示する模式図である。
図５において、横軸は時間である。縦軸は、電流又は電圧を示す。図５において、縦軸の正側は、アノード電極１２２に対してカソード電極１２１に正の電圧が印加される状態、又はアノード電極１２２からカソード電極１２１へ電流が流れる状態を示す。縦軸の負側は、カソード電極１２１に対してアノード電極１２２に正の電圧が印加される状態、又はカソード電極１２１からアノード電極１２２へ電流が流れる状態を示す。
図５において、横軸は時間である。縦軸は、電流又は電圧を示す。図５において、縦軸の正側は、アノード電極１２２に対してカソード電極１２１に正の電圧が印加される状態、又はアノード電極１２２からカソード電極１２１へ電流が流れる状態を示す。縦軸の負側は、カソード電極１２１に対してアノード電極１２２に正の電圧が印加される状態、又はカソード電極１２１からアノード電極１２２へ電流が流れる状態を示す。
【0025】
カソード電極１２１に対してアノード電極１２２に正の電圧ＶＦが印加されると、カソード領域１０１及びアノード領域１０２から構成されるｐｎダイオードに順方向の電圧が加わる。これにより、カソード領域１０１からアノード領域１０２に順方向電流ＩＦが流れる。すなわち、半導体装置１００がオン状態となる。このとき、カソード領域１０１にキャリアが蓄積され、カソード領域１０１の電気抵抗が低下する。その後、電圧ＶＦが低下し、半導体装置１００に逆方向の電圧ＶＲが加わると、カソード領域１０１に蓄積されたキャリアがカソード電極１２１及びアノード電極１２２へ排出される。これにより、アノード領域１０２からカソード領域１０１へリカバリー電流Ｉｒｒが流れる。
【0026】
各構成要素の材料の一例を説明する。
カソード領域１０１、アノード領域１０２、コンタクト領域１０３、及びガードリング領域１０４は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。半導体材料としてシリコンが用いられる場合、ｎ形不純物として、ヒ素、リン、またはアンチモンを用いることができる。ｐ形不純物として、ボロンを用いることができる。カソード電極１２１及びアノード電極１２２は、チタン又はアルミニウムなどの金属を含む。
カソード領域１０１、アノード領域１０２、コンタクト領域１０３、及びガードリング領域１０４は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。半導体材料としてシリコンが用いられる場合、ｎ形不純物として、ヒ素、リン、またはアンチモンを用いることができる。ｐ形不純物として、ボロンを用いることができる。カソード電極１２１及びアノード電極１２２は、チタン又はアルミニウムなどの金属を含む。
【0027】
図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）、及び図７（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、ｎ－形半導体層１０１ｘ及びｎ＋形半導体層１０３ｘを含む半導体基板を用意する。ｎ－形半導体層１０１ｘは、ｎ＋形半導体層１０３ｘの上に設けられている。ｎ－形半導体層１０１ｘの表面に、炭素をイオン注入する。例えば、炭素の不純物濃度のピークがｎ－形半導体層１０１ｘの表面に位置するように、イオン注入が行われる。炭素は、第１領域１１１が形成される領域にイオン注入される。第１領域１１１が、Ｘ－Ｙ面においてカソード領域１０１の一部にのみ形成される場合は、ｎ－形半導体層１０１ｘの上にマスクを形成しても良い。マスクが形成されていない領域に炭素がイオン注入され、その後に第１領域１１１が形成される領域を制御できる。イオン注入により、図６（ａ）に示すように、周囲の領域に比べて高い炭素の濃度を有する領域１１１ｘが形成される。
まず、ｎ－形半導体層１０１ｘ及びｎ＋形半導体層１０３ｘを含む半導体基板を用意する。ｎ－形半導体層１０１ｘは、ｎ＋形半導体層１０３ｘの上に設けられている。ｎ－形半導体層１０１ｘの表面に、炭素をイオン注入する。例えば、炭素の不純物濃度のピークがｎ－形半導体層１０１ｘの表面に位置するように、イオン注入が行われる。炭素は、第１領域１１１が形成される領域にイオン注入される。第１領域１１１が、Ｘ－Ｙ面においてカソード領域１０１の一部にのみ形成される場合は、ｎ－形半導体層１０１ｘの上にマスクを形成しても良い。マスクが形成されていない領域に炭素がイオン注入され、その後に第１領域１１１が形成される領域を制御できる。イオン注入により、図６（ａ）に示すように、周囲の領域に比べて高い炭素の濃度を有する領域１１１ｘが形成される。
【0028】
ｎ－形半導体層１０１ｘ及び領域１１１ｘの上に半導体材料をエピタキシャル成長させ、ｎ－形半導体層１０１ｙを形成する。ｎ－形半導体層１０１ｙの表面にｐ形不純物をイオン注入し、図６（ｂ）に示すように、ｐ形半導体部１０２ａを形成する。
【0029】
ｐ形半導体部１０２ａの表面の一部にｐ形不純物をイオン注入し、ｐ＋形半導体部１０２ｂを形成する。図７（ａ）に示すように、ｐ形半導体部１０２ａ及びｐ＋形半導体部１０２ｂの上に、第１元素を含む層Ｌを形成する。熱処理により、層Ｌに含まれる第１元素をｎ－形半導体層１０１ｘ及びｎ－形半導体層１０１ｙに向けて拡散させる。拡散した第１元素は、領域１１１ｘの炭素と反応する。これにより、領域１１１ｘにおける第１元素の濃度が、周囲の領域に比べて高くなる。
【0030】
ｐ形半導体部１０２ａ及びｐ＋形半導体部１０２ｂの上に金属材料をスパッタリングし、アノード電極１２２を形成する。形半導体層１０１ｘが所定の厚さになるまで、形半導体層１０１ｘの裏面を研削する。図７（ｂ）に示すように、形半導体層１０１ｘの裏面に金属材料をスパッタリングし、カソード電極１２１を形成する。以上により、第１実施形態に係る半導体装置１００が製造される。
【0031】
第１実施形態の利点を説明する。
図５に示すように、半導体装置１００がオフ状態に切り替わった際、リカバリー電流Ｉｒｒが流れる。リカバリー電流Ｉｒｒは、より小さいことが好ましい。リカバリー電流Ｉｒｒが小さい（ゼロに近い）ほど、半導体装置１００のスイッチングをより高速化でき、半導体装置１００のスイッチング損失を低減できる。リカバリー電流Ｉｒｒを低減するためには、カソード領域１０１に第１元素を含有させることが有効である。第１元素は、キャリアのライフタイムを短縮させるライフタイムキラーとして機能する。第１元素によりキャリアのライフタイムが短縮されることで、リカバリー電流Ｉｒｒを低減し、半導体装置１００のスイッチング損失を低減できる。
図５に示すように、半導体装置１００がオフ状態に切り替わった際、リカバリー電流Ｉｒｒが流れる。リカバリー電流Ｉｒｒは、より小さいことが好ましい。リカバリー電流Ｉｒｒが小さい（ゼロに近い）ほど、半導体装置１００のスイッチングをより高速化でき、半導体装置１００のスイッチング損失を低減できる。リカバリー電流Ｉｒｒを低減するためには、カソード領域１０１に第１元素を含有させることが有効である。第１元素は、キャリアのライフタイムを短縮させるライフタイムキラーとして機能する。第１元素によりキャリアのライフタイムが短縮されることで、リカバリー電流Ｉｒｒを低減し、半導体装置１００のスイッチング損失を低減できる。
【0032】
また、第１元素は、局所的に存在していることが好ましい。第１元素がカソード領域１０１の全体に広がっている場合でも、リカバリー電流Ｉｒｒを低減できる。しかし、この場合、半導体装置１００がオン状態のときに、カソード領域１０１に蓄積されるキャリア密度も低下する。この結果、半導体装置１００のオン抵抗が増大する。第１元素を局所的に存在させることで、オン抵抗の増大を抑えつつ、リカバリー電流Ｉｒｒを低減できる。
【0033】
従来、第１元素を局所的に存在させるために、第１元素がカソード領域１０１の所定の深さにイオン注入されていた。この場合、高いエネルギーを有するイオンがカソード領域１０１及びアノード領域１０２に打ち込まれ、これらの領域における結晶欠陥が増大する。この結果、半導体装置１００がオフ状態のときのリーク電流が増大する。結晶欠陥の発生を抑えるために、第１元素を含む層からカソード領域１０１へ第１元素を拡散させる方法も存在する。しかし、この方法によれば、カソード領域１０１へ第１元素が均一に拡散するため、局所的に第１元素を存在させることが難しい。
【0034】
この課題について、第１実施形態に係る半導体装置１００では、カソード領域１０１の特定の領域に炭素を含有させている。炭素は、格子間シリコンや原子空孔といった点欠陥を介在して、白金、金、鉄、銅、ニッケルなどの金属原子に対してゲッタリング効果を示す。このため、カソード領域１０１に第１元素を拡散させた場合に、第１元素の多くは、炭素を介在したゲッタリングによって、炭素を含む領域に留まる。炭素は、第１元素に対するゲッタリング元素として機能する。これにより、周囲に比べて、より高い炭素の濃度を有し、且つより高い第１元素の濃度を有する第１領域１１１がカソード領域１０１中に形成される。また、炭素は電気的に中性である。
【0035】
第１領域１１１は、浅い位置への炭素のイオン注入及び第１元素の拡散により形成できるため、カソード領域１０１における結晶欠陥の発生を抑制できる。これにより、リーク電流の増大を抑えることができる。また、炭素は電気的に中性である。このため、第１領域１１１によるリーク電流への影響は、実質的に無い。第１元素の濃度が局所的に高い第１領域１１１が設けられることで、半導体装置１００のオン抵抗の増加を抑えつつ、半導体装置１００のスイッチング損失を低減できる。
【0036】
例えば、第１領域１１１は、カソード領域１０１の中に設けられ、アノード電極１２２側に位置する。すなわち、図３に示すように、アノード電極１２２と第１領域１１１との間のＺ方向における距離Ｄ２は、カソード電極１２１と第１領域１１１との間のＺ方向における距離Ｄ１よりも短い。第１領域１１１がアノード電極１２２側に形成される場合、第１領域１１１がカソード領域１０１の中央に形成される場合に比べて、半導体装置１００のオン抵抗を低減しつつ、リカバリー電流Ｉｒｒをより低減できる。
【0037】
第１元素としては、白金が最も好ましい。ライフタイムキラーとして性能を示す指標として、生成ライフタイムと、低注入レベル時でのライフタイムと、がある。生成ライフタイムが短いほど、電子正孔対が生成され易くなり、リーク電流の原因となりうる。また、低注入ライフタイムが小さいほど、デバイスのスイッチング速度が速くなる。つまり、低注入レベル時でのライフタイムをτｓｃ、低注入ライフタイムをτＬＬとしたとき、これらの比τｓｃ／τＬＬが大きいことが望ましい。白金は、高いτｓｃ／τＬＬ値する。例えば室温において、白金のτｓｃ／τＬＬ値は、金のτｓｃ／τＬＬ値の１００倍以上である。また、白金のτｓｃ／τＬＬ値は、広く使われている電子線照射法よりも高い値を示す。このため、他の第１元素を用いた場合又は電子線照射による方法に比べて、白金は、ライフタイム制御因子として優れた性能を示す。
【0038】
図８～図１１は、第１実施形態の変形例に係る半導体装置の一部を示す断面図である。
図８に示した半導体装置１００ａのように、第１領域１１１は、カソード電極１２１側に位置しても良い。すなわち、カソード電極１２１と第１領域１１１との間の距離Ｄ１が、アノード電極１２２と第１領域１１１との間の距離Ｄ２よりも短い。第１領域１１１がカソード電極１２１側に形成される場合、第１領域１１１がカソード領域１０１の中央に形成される場合に比べて、半導体装置１００ａのオン抵抗を低減しつつ、リカバリー電流Ｉｒｒが減衰する期間Ｐ（図５に示す）をより短縮できる。これにより、半導体装置１００ａのスイッチング損失を低減できる。
図８に示した半導体装置１００ａのように、第１領域１１１は、カソード電極１２１側に位置しても良い。すなわち、カソード電極１２１と第１領域１１１との間の距離Ｄ１が、アノード電極１２２と第１領域１１１との間の距離Ｄ２よりも短い。第１領域１１１がカソード電極１２１側に形成される場合、第１領域１１１がカソード領域１０１の中央に形成される場合に比べて、半導体装置１００ａのオン抵抗を低減しつつ、リカバリー電流Ｉｒｒが減衰する期間Ｐ（図５に示す）をより短縮できる。これにより、半導体装置１００ａのスイッチング損失を低減できる。
【0039】
図９に示した半導体装置１００ｂでは、カソード領域１０１が、ｎ形半導体部１０１ａ（第１部分の一例）及びｎ－形半導体部１０１ｂ（第２部分の一例）を含む。ｎ－形半導体部１０１ｂは、ｎ形半導体部１０１ａの上に設けられている。ｎ形半導体部１０１ａにおけるｎ形不純物濃度は、コンタクト領域１０３におけるｎ形不純物濃度よりも低い。ｎ－形半導体部１０１ｂにおけるｎ形不純物濃度は、ｎ形半導体部１０１ａにおけるｎ形不純物濃度よりも低い。
【0040】
第１領域１１１は、ｎ形半導体部１０１ａの中に設けられている。ｎ形半導体部１０１ａにおけるｎ形不純物濃度は、ｎ－形半導体部１０１ｂにおけるｎ形不純物濃度よりも高いため、半導体装置１００ｂがオフ状態のとき、ｎ形半導体部１０１ａは完全には空乏化しない。すなわち、空乏層は、ｎ形半導体部１０１ａ中の第１領域１１１まで到達しない。第１領域１１１は、少量ながら、炭素をイオン注入する際に発生した結晶欠陥を含む。空乏層が到達しない領域に第１領域１１１が設けられることで、半導体装置１００ｂのスイッチング損失を低減しつつ、半導体装置１００ｂのリーク電流をより低減できる。
【0041】
図１０に示した半導体装置１００ｃのように、第１領域１１１は、ｐ形半導体部１０２ａの中に設けられても良い。この場合、第１領域１１１における炭素の濃度が、アノード領域１０２における炭素の濃度よりも高い。第１領域１１１における第１元素の濃度は、アノード領域１０２における第１元素の濃度よりも高い。アノード領域１０２に含まれる元素をＺ方向に沿って分析した際、他の領域よりも高い炭素の濃度を有し、且つ他の領域よりも高い第１元素の濃度を有する領域が、第１領域１１１として特定される。
【0042】
ｐ形半導体部１０２ａにおけるｐ形不純物濃度は、ｎ－形半導体部１０１ｂにおけるｎ形不純物濃度よりも高い。このため、半導体装置１００ｃがオフ状態のとき、ｎ－形半導体部１０１ｂに比べて、ｐ形半導体部１０２ａでは空乏層が広がり難い。ｐ形半導体部１０２ａにおいて、空乏化しない領域に第１領域１１１が設けられることで、半導体装置１００ｃのスイッチング損失を低減しつつ、半導体装置１００ｃのリーク電流をより低減できる。
【0043】
図１１に示した半導体装置１００ｄのように、第１領域１１１に加えて、第２領域１１２が設けられても良い。第２領域１１２は、カソード領域１０１の中に設けられている。第２領域１１２における炭素の濃度は、カソード領域１０１における炭素の濃度よりも高い。第２領域１１２における第１元素の濃度は、カソード領域１０１における第１元素の濃度よりも高い。第２領域１１２のＺ方向における長さは、第２領域１１２のＸ方向における長さよりも短く、第２領域１１２のＹ方向における長さよりも短い。
【0044】
第２領域１１２は、Ｚ方向において、第１領域１１１から離れている。第１領域１１１は、カソード電極１２１側に設けられている。第２領域１１２は、アノード電極１２２側に設けられている。すなわち、カソード電極１２１と第１領域１１１との間のＺ方向における距離Ｄ１は、アノード電極１２２と第１領域１１１との間のＺ方向における距離Ｄ２よりも短い。カソード電極１２１と第２領域１１２との間のＺ方向における距離Ｄ３は、アノード電極１２２と第２領域１１２との間のＺ方向における距離Ｄ４よりも長い。
【0045】
第２領域１１２は、第１領域１１１と同様の方法によって形成される。すなわち、ｎ－形半導体層の形成途中で、第２領域１１２が形成される領域に炭素がイオン注入される。その後、第１元素が拡散した際、炭素がイオン注入された領域に第１元素が留まり、第１領域１１１及び第２領域１１２が形成される。
【0046】
第１領域１１１および第２領域１１２の両方が設けられることで、半導体装置１００又は半導体装置１００ａ～１００ｃに比べて、スイッチング損失をさらに低減できる。
【0047】
以上で説明した各変形例に係る構造は、適宜組み合わせて実施することが可能である。例えば、半導体装置１００ｄにおいて、第１領域１１１が、ｎ形半導体部１０１ａの中に設けられても良い。第２領域１１２が、ｐ形半導体部１０２ａの中に設けられても良い。
【0048】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図１３は、図１２のＡ１－Ａ２断面図である。
第２実施形態に係る半導体装置は、ＩＧＢＴである。図１２及び図１３に示すように、第２実施形態に係る半導体装置２００は、ｎ形ベース領域２０１（第１半導体領域の一例）、ｐ形ベース領域２０２（第２半導体領域の一例）、コレクタ領域２０３（第３半導体領域の一例）、エミッタ領域２０４（第４半導体領域の一例）、第１領域２１１、ゲート電極２１５、コレクタ電極２２１（第１電極の一例）、エミッタ電極２２２（第２電極の一例）、及びゲートパッド２２３を備える。
図１２は、第２実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図１３は、図１２のＡ１－Ａ２断面図である。
第２実施形態に係る半導体装置は、ＩＧＢＴである。図１２及び図１３に示すように、第２実施形態に係る半導体装置２００は、ｎ形ベース領域２０１（第１半導体領域の一例）、ｐ形ベース領域２０２（第２半導体領域の一例）、コレクタ領域２０３（第３半導体領域の一例）、エミッタ領域２０４（第４半導体領域の一例）、第１領域２１１、ゲート電極２１５、コレクタ電極２２１（第１電極の一例）、エミッタ電極２２２（第２電極の一例）、及びゲートパッド２２３を備える。
【0049】
図１２に示すように、エミッタ電極２２２及びゲートパッド２２３は、半導体装置２００の上面に設けられている。エミッタ電極２２２とゲートパッド２２３は、互いに離れている。図示した例では、エミッタ電極２２２が複数設けられ、各エミッタ電極２２２の周りにゲート配線２２３ａが設けられている。ゲート配線２２３ａは、ゲートパッド２２３と電気的に接続されている。
【0050】
図１３に示すように、コレクタ電極２２１は、半導体装置２００の下面に設けられている。コレクタ領域２０３は、コレクタ電極２２１の上に設けられ、コレクタ電極２２１と電気的に接続されている。ｎ形ベース領域２０１は、コレクタ領域２０３の上に設けられている。ｎ形ベース領域２０１は、ｎ形半導体部２０１ａ（第１部分の一例）及びｎ－形半導体部２０１ｂ（第２部分の一例）を含んでも良い。ｎ－形半導体部２０１ｂは、ｎ形半導体部２０１ａの上に設けられている。ｎ－形半導体部２０１ｂにおけるｎ形不純物濃度は、ｎ形半導体部２０１ａにおけるｎ形不純物濃度よりも低い。
【0051】
ｐ形ベース領域２０２は、ｎ形ベース領域２０１の上に設けられている。エミッタ領域２０４は、ｐ形ベース領域２０２の上に設けられている。ｐ形ベース領域２０２は、ｐ形半導体部２０２ａ及びｐ＋形半導体部２０２ｂを含んでも良い。ｐ＋形半導体部２０２ｂは、ｐ形半導体部２０２ａの上に設けられ、Ｘ方向においてエミッタ領域２０４と並んでいる。ｐ＋形半導体部２０２ｂにおけるｐ形不純物濃度は、ｐ形半導体部２０２ａにおけるｐ形不純物濃度よりも高い。ｐ形ベース領域２０２及びエミッタ領域２０４は、エミッタ電極２２２と電気的に接続されている。
【0052】
ガードリング領域２０５は、Ｘ－Ｙ面に沿って、ｐ形ベース領域２０２の周りに設けられている。ガードリング領域２０５は、ｐ形ベース領域２０２から離れている。図示したように、半導体装置２００の外周に向けて、複数のガードリング領域２０５が設けられても良い。複数のガードリング領域２０５は互いに離れている。
【0053】
ゲート電極２１５は、Ｘ方向において、ゲート絶縁層２１５ａを介してｐ形半導体部２０２ａと対面している。ゲート電極２１５とエミッタ電極２２２との間には、絶縁層２１７が設けられている。ゲート電極２１５とエミッタ電極２２２は、互いに電気的に分離されている。
【0054】
ｐ形ベース領域２０２、エミッタ領域２０４、及びゲート電極２１５のそれぞれは、Ｘ方向において複数設けられている。各ｐ形ベース領域２０２、各エミッタ領域２０４、及び各ゲート電極２１５は、ストライプ状に設けられ、Ｙ方向に延びている。ゲート電極２１５のＹ方向における端部は、ゲート配線２２３ａと接続されている。ゲート電極２１５は、ゲート配線２２３ａを介してゲートパッド２２３と電気的に接続されている。
【0055】
第１領域２１１は、ｎ－形半導体部２０１ｂの中に設けられている。第１実施形態に係る半導体装置と同様に、第１領域２１１における炭素の濃度は、ｎ形ベース領域２０１における炭素の濃度よりも高い。また、第１領域２１１における第１元素の濃度は、ｎ形ベース領域２０１における第１元素の濃度よりも高い。第１領域２１１は、Ｘ－Ｙ面に沿って広がっている。例えば、エミッタ電極２２２と第１領域２１１との間のＺ方向における距離Ｄ２は、コレクタ電極２２１と第１領域２１１との間のＺ方向における距離Ｄ１よりも短い。
【0056】
ｎ形ベース領域２０１の中の第１領域２１１の特定方法は、第１実施形態における第１領域１１１の特定方法と同様である。すなわち、ｎ形ベース領域２０１に含まれる元素をＺ方向に沿って分析し、炭素及び第１元素のそれぞれの濃度プロファイルを得る。各濃度プロファイルにおいて、炭素濃度が低い領域及び第１元素の濃度が低い領域を特定する。それぞれの濃度が低い領域に対して、炭素濃度が増大し、且つ第１元素濃度が増大している領域が、第１領域２１１として特定される。
【0057】
半導体装置２００は、図１２及び図１３に示すように、素子領域ＣＲと、素子領域ＣＲの周りに設けられた終端領域ＴＲと、を含む。ｎ形ベース領域２０１及びコレクタ領域２０３は、素子領域ＣＲ及び終端領域ＴＲに設けられている。ｐ形ベース領域２０２及びエミッタ領域２０４は、素子領域ＣＲに設けられている。ガードリング領域２０５は、終端領域ＴＲに設けられている。エミッタ電極２２２は、素子領域ＣＲの上に設けられている。例えば、第１領域２１１は、素子領域ＣＲと終端領域ＴＲの両方に設けられている。
【0058】
半導体装置２００の動作について説明する。
エミッタ電極２２２に対してコレクタ電極２２１に正の電圧が印加された状態で、ゲート電極２１５に閾値以上の電圧が印加される。これにより、ｐ形半導体部２０２ａにチャネル（反転層）が形成される。電子が、チャネルを通ってエミッタ領域２０４からｎ－形半導体部２０１ｂに流れ、正孔が、コレクタ領域２０３からｎ－形半導体部２０１ｂへ流れる。ｎ－形半導体部２０１ｂに蓄積されるキャリア密度が増大し、電導度変調が生じる。これにより、ｎ－形半導体部２０１ｂの電気抵抗が大きく低下し、半導体装置２００がオン状態となる。その後、ゲート電極２１５に印加される電圧が閾値よりも低くなると、ｐ形半導体部２０２ａにおけるチャネルが消滅し、半導体装置２００がオフ状態に切り替わる。半導体装置２００がオフ状態に切り替わると、ｎ－形半導体部２０１ｂに蓄積されたキャリアは、コレクタ電極２２１及びエミッタ電極２２２へ排出される。
エミッタ電極２２２に対してコレクタ電極２２１に正の電圧が印加された状態で、ゲート電極２１５に閾値以上の電圧が印加される。これにより、ｐ形半導体部２０２ａにチャネル（反転層）が形成される。電子が、チャネルを通ってエミッタ領域２０４からｎ－形半導体部２０１ｂに流れ、正孔が、コレクタ領域２０３からｎ－形半導体部２０１ｂへ流れる。ｎ－形半導体部２０１ｂに蓄積されるキャリア密度が増大し、電導度変調が生じる。これにより、ｎ－形半導体部２０１ｂの電気抵抗が大きく低下し、半導体装置２００がオン状態となる。その後、ゲート電極２１５に印加される電圧が閾値よりも低くなると、ｐ形半導体部２０２ａにおけるチャネルが消滅し、半導体装置２００がオフ状態に切り替わる。半導体装置２００がオフ状態に切り替わると、ｎ－形半導体部２０１ｂに蓄積されたキャリアは、コレクタ電極２２１及びエミッタ電極２２２へ排出される。
【0059】
各構成要素の材料の一例を説明する。
ｎ形ベース領域２０１、ｐ形ベース領域２０２、コレクタ領域２０３、エミッタ領域２０４、及びガードリング領域２０５は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。ゲート電極２１５は、ポリシリコンを含む。ゲート絶縁層２１５ａ及び絶縁層２１７は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料を含む。コレクタ電極２２１、エミッタ電極２２２、ゲートパッド２２３、及びゲート配線２２３ａは、チタン又はアルミニウムなどの金属を含む。
ｎ形ベース領域２０１、ｐ形ベース領域２０２、コレクタ領域２０３、エミッタ領域２０４、及びガードリング領域２０５は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。ゲート電極２１５は、ポリシリコンを含む。ゲート絶縁層２１５ａ及び絶縁層２１７は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料を含む。コレクタ電極２２１、エミッタ電極２２２、ゲートパッド２２３、及びゲート配線２２３ａは、チタン又はアルミニウムなどの金属を含む。
【0060】
第２実施形態の利点を説明する。
半導体装置２００がオフ状態に切り替わったとき、ｎ－形半導体部２０１ｂに蓄積されたキャリアがコレクタ電極２２１及びエミッタ電極２２２へ排出される。このとき、キャリアがより早く排出されるほど、半導体装置２００のスイッチング損失を低減できる。第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、局所的に第１元素の濃度が高い第１領域２１１が設けられる。このため、第２実施形態によれば、半導体装置２００のリーク電流を低減しつつ、半導体装置２００のスイッチング損失を低減できる。
半導体装置２００がオフ状態に切り替わったとき、ｎ－形半導体部２０１ｂに蓄積されたキャリアがコレクタ電極２２１及びエミッタ電極２２２へ排出される。このとき、キャリアがより早く排出されるほど、半導体装置２００のスイッチング損失を低減できる。第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、局所的に第１元素の濃度が高い第１領域２１１が設けられる。このため、第２実施形態によれば、半導体装置２００のリーク電流を低減しつつ、半導体装置２００のスイッチング損失を低減できる。
【0061】
図１４～図１７は、第２実施形態の変形例に係る半導体装置の一部を示す断面図である。
図１４に示す半導体装置２００ａでは、第１領域２１１が終端領域ＴＲにのみ設けられている。終端領域ＴＲの第１領域２１１が設けられた高さ（Ｚ方向における位置）において、素子領域ＣＲでは、ｎ形ベース領域２０１の一部が設けられている。このため、素子領域ＣＲのｎ形ベース領域２０１の当該一部における炭素の濃度は、終端領域ＴＲの第１領域２１１における炭素の濃度よりも低い。素子領域ＣＲのｎ形ベース領域２０１の当該一部における第１元素の濃度は、終端領域ＴＲの第１領域２１１における第１元素の濃度よりも低い。
図１４に示す半導体装置２００ａでは、第１領域２１１が終端領域ＴＲにのみ設けられている。終端領域ＴＲの第１領域２１１が設けられた高さ（Ｚ方向における位置）において、素子領域ＣＲでは、ｎ形ベース領域２０１の一部が設けられている。このため、素子領域ＣＲのｎ形ベース領域２０１の当該一部における炭素の濃度は、終端領域ＴＲの第１領域２１１における炭素の濃度よりも低い。素子領域ＣＲのｎ形ベース領域２０１の当該一部における第１元素の濃度は、終端領域ＴＲの第１領域２１１における第１元素の濃度よりも低い。
【0062】
半導体装置２００ａがオフ状態に切り替わったとき、終端領域ＴＲに蓄積されたキャリアは、素子領域ＣＲ外周のｐ形ベース領域２０２へ集まって排出される。このため、素子領域ＣＲ外周のｐ形ベース領域２０２では、素子領域ＣＲ中央のｐ形ベース領域２０２と比べて、より大きな電流が流れる。終端領域ＴＲに第１領域２１１が設けられることで、終端領域ＴＲに蓄積されたキャリアのライフタイムを短縮し、ターンオフ時に、素子領域ＣＲ外周のｐ形ベース領域２０２へ流れる電流を低減できる。これにより、半導体装置２００ａが破壊される可能性を低減できる。また、素子領域ＣＲに第１領域２１１が設けられていないことで、半導体装置２００ａがオン状態のときのキャリア密度を高め、半導体装置２００ａのオン抵抗を低減できる。
【0063】
図１５に示す半導体装置２００ｂのように、第１領域２１１は、コレクタ電極２２１側に位置しても良い。すなわち、コレクタ電極２２１と第１領域２１１との間の距離Ｄ１が、エミッタ電極２２２と第１領域２１１との間の距離Ｄ２よりも短い。半導体装置２００ｂによれば、半導体装置２００と同様に、スイッチング損失を低減できる。
【0064】
図１６に示す半導体装置２００ｃのように、第１領域２１１は、ｎ形半導体部１０１ａの中に設けられても良い。半導体装置２００ｃがオフ状態のとき、ｎ形半導体部２０１ａは完全には空乏化しない。第１領域２１１は、空乏層が到達しない位置に設けられている。半導体装置２００ｃによれば、半導体装置２００ｂに比べて、リーク電流をより低減できる。
【0065】
図１７に示す半導体装置２００ｄのように、第１領域２１１に加えて、第２領域２１２が設けられても良い。第２領域２１２は、ｎ形ベース領域２０１の中に設けられている。第２領域２１２における炭素の濃度は、ｎ形ベース領域２０１における炭素の濃度よりも高い。第２領域２１２における第１元素の濃度は、ｎ形ベース領域２０１における第１元素の濃度よりも高い。第２領域２１２のＺ方向における長さは、第２領域２１２のＸ方向における長さよりも短く、第２領域２１２のＹ方向における長さよりも短い。
【0066】
第２領域２１２は、Ｚ方向において、第１領域２１１から離れている。第１領域２１１は、コレクタ電極２２１側に設けられている。第２領域２１２は、エミッタ電極２２２側に設けられている。すなわち、コレクタ電極２２１と第１領域２１１との間のＺ方向における距離Ｄ１は、エミッタ電極２２２と第１領域２１１との間のＺ方向における距離Ｄ２よりも短い。コレクタ電極２２１と第２領域２１２との間のＺ方向における距離Ｄ３は、エミッタ電極２２２と第２領域２１２との間のＺ方向における距離Ｄ４よりも長い。
【0067】
第１領域２１１に加えて、第２領域２１２が設けられることで、半導体装置２００ｄのスイッチング損失をさらに低減できる。
【0068】
（第３実施形態）
図１８は、第３実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図１９は、図１８のＡ１－Ａ２断面図である。
第３実施形態に係る半導体装置は、ＲＣ－ＩＧＢＴである。図１８及び図１９に示すように、第３実施形態に係る半導体装置３００は、ｎ形ベース領域３０１（第１半導体領域の一例）、ｐ形ベース領域３０２（第２半導体領域の一例）、コレクタ領域３０３（第３半導体領域の一例）、エミッタ領域３０４（第４半導体領域の一例）、カソード領域３０５（第５半導体領域の一例）、アノード領域３０６（第６半導体領域の一例）、第１領域３１１、ゲート電極３１５、導電部３１６、絶縁層３１７、コレクタ電極３２１、エミッタ電極３２２、及びゲートパッド３２３を備える。
図１８は、第３実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図１９は、図１８のＡ１－Ａ２断面図である。
第３実施形態に係る半導体装置は、ＲＣ－ＩＧＢＴである。図１８及び図１９に示すように、第３実施形態に係る半導体装置３００は、ｎ形ベース領域３０１（第１半導体領域の一例）、ｐ形ベース領域３０２（第２半導体領域の一例）、コレクタ領域３０３（第３半導体領域の一例）、エミッタ領域３０４（第４半導体領域の一例）、カソード領域３０５（第５半導体領域の一例）、アノード領域３０６（第６半導体領域の一例）、第１領域３１１、ゲート電極３１５、導電部３１６、絶縁層３１７、コレクタ電極３２１、エミッタ電極３２２、及びゲートパッド３２３を備える。
【0069】
半導体装置３００のコレクタ電極３２１、エミッタ電極３２２、ゲートパッド３２３、及びゲート配線３２３ａの構造は、例えば、半導体装置２００のコレクタ電極２２１、エミッタ電極２２２、ゲートパッド２２３、及びゲート配線２２３ａの構造と同様である。また、半導体装置３００は、ＩＧＢＴ領域Ｒ１及びダイオード領域Ｒ２を含む。図１８に示す例では、ＩＧＢＴ領域Ｒ１及びダイオード領域Ｒ２のそれぞれが、Ｘ方向及びＹ方向において複数設けられている。
【0070】
図１９に示すように、ＩＧＢＴ領域Ｒ１は、ｎ形ベース領域３０１の一部、ｐ形ベース領域３０２、コレクタ領域３０３、エミッタ領域３０４、及びゲート電極３１５を含む。
【0071】
コレクタ領域３０３は、コレクタ電極３２１の一部の上に設けられている。ｎ形ベース領域３０１の一部は、コレクタ領域３０３の上に設けられている。ｎ形ベース領域３０１は、ｎ形半導体部３０１ａ（第１部分の一例）及びｎ－形半導体部３０１ｂ（第２部分の一例）を含んでも良い。ｎ－形半導体部３０１ｂは、ｎ形半導体部３０１ａの上に設けられている。ｎ－形半導体部３０１ｂにおけるｎ形不純物濃度は、ｎ形半導体部３０１ａにおけるｎ形不純物濃度よりも低い。
【0072】
ｐ形ベース領域３０２は、ｎ形ベース領域３０１の当該一部の上に設けられている。エミッタ領域３０４は、ｐ形ベース領域３０２の上に設けられている。ｐ形ベース領域３０２は、ｐ形半導体部３０２ａ及びｐ＋形半導体部３０２ｂを含んでも良い。ｐ＋形半導体部３０２ｂは、ｐ形半導体部３０２ａの上に設けられ、Ｘ方向においてエミッタ領域３０４と並んでいる。ｐ＋形半導体部３０２ｂにおけるｐ形不純物濃度は、ｐ形半導体部３０２ａにおけるｐ形不純物濃度よりも高い。ゲート電極３１５は、Ｘ方向において、ゲート絶縁層３１５ａを介してｐ形半導体部３０２ａと対面している。
【0073】
ｐ形ベース領域３０２、エミッタ領域３０４、及びゲート電極３１５のそれぞれは、Ｘ方向において複数設けられている。各ｐ形ベース領域３０２、各エミッタ領域３０４、及び各ゲート電極３１５は、ストライプ状に設けられ、Ｙ方向に延びている。ゲート電極３１５のＹ方向における端部は、ゲート配線３２３ａと接続されている。図１９に示すように、ＩＧＢＴ領域Ｒ１において、一部のゲート電極３１５が導電部３１６に置き換えられても良い。その場合、導電部３１６は、Ｘ方向において、絶縁層３１６ａを介してｐ形半導体部３０２ａと対面する。
【0074】
ダイオード領域Ｒ２は、ｎ形ベース領域３０１の別の一部、カソード領域３０５、アノード領域３０６、第１領域３１１、及び導電部３１６を含む。
【0075】
カソード領域３０５は、コレクタ電極３２１の別の一部の上に設けられている。カソード領域３０５におけるｎ形不純物濃度は、ｎ形ベース領域３０１におけるｎ形不純物濃度よりも高い。ｎ形ベース領域３０１の別の一部は、カソード領域３０５の上に設けられている。アノード領域３０６は、ｎ形ベース領域３０１の当該別の一部の上に設けられている。
【0076】
アノード領域３０６は、ｐ形半導体部３０６ａ及びｐ＋形半導体部３０６ｂを含んでも良い。ｐ＋形半導体部３０６ｂは、ｐ形半導体部３０６ａの上に設けられ、Ｘ方向においてエミッタ領域３０４と並んでいる。ｐ＋形半導体部３０６ｂにおけるｐ形不純物濃度は、ｐ形半導体部３０６ａにおけるｐ形不純物濃度よりも高い。導電部３１６は、Ｘ方向において、絶縁層３１６ａを介してｐ形半導体部３０６ａと対面している。
【0077】
アノード領域３０６及び導電部３１６のそれぞれは、Ｘ方向において複数設けられている。例えば、各アノード領域３０６及び各導電部３１６は、ストライプ状に設けられ、Ｙ方向に延びている。又は、ダイオード領域Ｒ２において、導電部３１６が省略されても良い。その場合、例えば半導体装置１００と同様に、ｎ形ベース領域３０１の上に、１つのアノード領域３０６が設けられる。
【0078】
エミッタ電極３２２は、ＩＧＢＴ領域Ｒ１とダイオード領域Ｒ２の上に設けられている。エミッタ電極３２２は、ｐ形ベース領域３０２、エミッタ領域３０４、アノード領域３０６、ゲート電極３１５、及び導電部３１６の上に位置する。エミッタ電極３２２は、ｐ形ベース領域３０２、エミッタ領域３０４、アノード領域３０６、及び導電部３１６と電気的に接続されている。ゲート電極３１５とエミッタ電極３２２との間には、絶縁層３１７が設けられ、ゲート電極３１５とエミッタ電極３２２は、互いに電気的に分離されている。
【0079】
第１領域３１１は、ｎ－形半導体部３０１ｂの中に設けられている。第１実施形態に係る半導体装置と同様に、第１領域３１１における炭素の濃度は、ｎ形ベース領域３０１における炭素の濃度よりも高い。また、第１領域３１１における第１元素の濃度は、ｎ形ベース領域３０１における第１元素の濃度よりも高い。第１領域３１１は、Ｘ－Ｙ面に沿って広がっている。例えば、第１領域３１１は、素子領域ＣＲと終端領域ＴＲの両方に設けられている。
【0080】
例えば、第１領域３１１は、エミッタ電極３２２側に設けられている。すなわち、コレクタ電極３２１と第１領域３１１との間の距離Ｄ１が、エミッタ電極３２２と第１領域３１１との間の距離Ｄ２よりも短い。
【0081】
ｎ形ベース領域３０１の中の第１領域３１１の特定方法は、第１実施形態における第１領域１１１の特定方法と同様である。すなわち、ｎ形ベース領域３０１に含まれる元素をＺ方向に沿って分析し、炭素及び第１元素のそれぞれの濃度プロファイルを得る。各濃度プロファイルにおいて、炭素濃度が低い領域及び第１元素の濃度が低い領域を特定する。それぞれの濃度が低い領域に対して、炭素濃度が増大し、且つ第１元素濃度が増大している領域が、第１領域３１１として特定される。
【0082】
半導体装置３００の動作について説明する。
エミッタ電極３２２に対してコレクタ電極３２１に正の電圧が印加された状態で、ゲート電極３１５に閾値以上の電圧が印加される。これにより、ｐ形半導体部３０２ａにチャネル（反転層）が形成される。電子が、チャネルを通ってエミッタ領域３０４からｎ－形半導体部３０１ｂに流れ、正孔が、コレクタ領域３０３からｎ－形半導体部３０１ｂへ流れる。ｎ－形半導体部３０１ｂに蓄積されるキャリア密度が増大し、電導度変調が生じる。これにより、ｎ－形半導体部３０１ｂの電気抵抗が大きく低下し、ＩＧＢＴ領域Ｒ１がオン状態となる。その後、ゲート電極３１５に印加される電圧が閾値よりも低くなると、ｐ形半導体部３０２ａにおけるチャネルが消滅し、ＩＧＢＴ領域Ｒ１がオフ状態に切り替わる。
エミッタ電極３２２に対してコレクタ電極３２１に正の電圧が印加された状態で、ゲート電極３１５に閾値以上の電圧が印加される。これにより、ｐ形半導体部３０２ａにチャネル（反転層）が形成される。電子が、チャネルを通ってエミッタ領域３０４からｎ－形半導体部３０１ｂに流れ、正孔が、コレクタ領域３０３からｎ－形半導体部３０１ｂへ流れる。ｎ－形半導体部３０１ｂに蓄積されるキャリア密度が増大し、電導度変調が生じる。これにより、ｎ－形半導体部３０１ｂの電気抵抗が大きく低下し、ＩＧＢＴ領域Ｒ１がオン状態となる。その後、ゲート電極３１５に印加される電圧が閾値よりも低くなると、ｐ形半導体部３０２ａにおけるチャネルが消滅し、ＩＧＢＴ領域Ｒ１がオフ状態に切り替わる。
【0083】
ＩＧＢＴ領域Ｒ１がオフ状態に切り替わった後、ｎ－形半導体部３０１ｂに蓄積されていた電子は、コレクタ領域３０３を通ってコレクタ電極３２１へ排出される。正孔は、ｐ形ベース領域３０２を通ってエミッタ電極３２２へ排出される。
【0084】
例えば、複数の半導体装置３００によって、ブリッジ回路が構成される。１つの半導体装置３００がオン状態からオフ状態に切り替わると、ブリッジ回路のインダクタンス成分により、別の半導体装置３００のエミッタ電極３２２に誘導起電力が加わる。これにより、当該別の半導体装置３００において、ダイオード領域Ｒ２が動作する。アノード領域３０６からｎ－形半導体部３０１ｂへ正孔が流れ、カソード領域３０５からｎ－形半導体部３０１ｂへ電子が流れる。ダイオード領域Ｒ２は、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）として機能する。
【0085】
各構成要素の材料の一例を説明する。
ｎ形ベース領域３０１、ｐ形ベース領域３０２、コレクタ領域３０３、エミッタ領域３０４、カソード領域３０５、及びアノード領域３０６は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。ｐ形不純物として、ボロンを用いることができる。ゲート電極３１５及び導電部３１６は、ポリシリコンを含む。ゲート絶縁層３１５ａ、絶縁層３１６ａ、及び絶縁層３１７は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料を含む。コレクタ電極３２１、エミッタ電極３２２、ゲートパッド３２３、及びゲート配線３２３ａは、チタン又はアルミニウムなどの金属を含む。
ｎ形ベース領域３０１、ｐ形ベース領域３０２、コレクタ領域３０３、エミッタ領域３０４、カソード領域３０５、及びアノード領域３０６は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。ｐ形不純物として、ボロンを用いることができる。ゲート電極３１５及び導電部３１６は、ポリシリコンを含む。ゲート絶縁層３１５ａ、絶縁層３１６ａ、及び絶縁層３１７は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料を含む。コレクタ電極３２１、エミッタ電極３２２、ゲートパッド３２３、及びゲート配線３２３ａは、チタン又はアルミニウムなどの金属を含む。
【0086】
第３実施形態によれば、半導体装置３００のダイオード領域Ｒ２に、第１領域３１１が設けられる。このため、第１実施形態と同様に、ダイオード領域Ｒ２の動作時において、オン抵抗の増加を抑えつつ、スイッチング損失を低減できる。
【0087】
第１領域３１１は、ＩＧＢＴ領域Ｒ１にも設けられても良いし、図１９に示すように、ダイオード領域Ｒ２にのみ設けられても良い。より好ましくは、第１領域３１１は、ダイオード領域Ｒ２にのみ設けられる。すなわち、第１領域３１１が設けられた高さにおいて、ＩＧＢＴ領域Ｒ１では、ｎ形ベース領域３０１の一部が設けられている。ＩＧＢＴ領域Ｒ１のｎ形ベース領域３０１の当該一部における炭素の濃度は、ダイオード領域Ｒ２の第１領域３１１における炭素の濃度よりも低い。ＩＧＢＴ領域Ｒ１のｎ形ベース領域３０１の当該一部における第１元素の濃度は、ダイオード領域Ｒ２の第１領域３１１における第１元素の濃度よりも低い。
【0088】
図２０～図２２は、第３実施形態の変形例に係る半導体装置の一部を示す断面図である。
第３実施形態に係る半導体装置に対して、第１実施形態の各変形例の構造を適用することも可能である。例えば図２０に示す半導体装置３００ａのように、第１領域３１１が、コレクタ電極３２１側に設けられても良い。これにより、ダイオード領域Ｒ２を流れるリカバリー電流Ｉｒｒが減衰する期間を短縮でき、スイッチング損失を低減できる。
第３実施形態に係る半導体装置に対して、第１実施形態の各変形例の構造を適用することも可能である。例えば図２０に示す半導体装置３００ａのように、第１領域３１１が、コレクタ電極３２１側に設けられても良い。これにより、ダイオード領域Ｒ２を流れるリカバリー電流Ｉｒｒが減衰する期間を短縮でき、スイッチング損失を低減できる。
【0089】
図２１に示す半導体装置３００ｂのように、第１領域３１１が、ｎ形半導体部３０１ａの中に設けられても良い。これにより、ダイオード領域Ｒ２におけるリーク電流をさらに低減できる。
【0090】
図２２に示す半導体装置３００ｃのように、第１領域３１１に加えて、第２領域３１２が設けられても良い。これにより、半導体装置３００ｃのスイッチング損失をさらに低減できる。
【0091】
本発明の実施形態は、以下の構成を含む。
（構成１）
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
（構成２）
前記第２電極と前記第１領域との間の距離は、前記第１電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、構成１に記載の半導体装置。
（構成３）
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、構成１に記載の半導体装置。
（構成４）
前記第１半導体領域は、第１部分と、前記第１部分の上に設けられた第２部分と、を含み、
前記第２部分におけるｎ形不純物濃度は、前記第１部分におけるｎ形不純物濃度よりも低く、
前記第１領域は、前記第１部分中に設けられた、構成３に記載の半導体装置。
（構成５）
前記第１半導体領域中に設けられた第２領域をさらに備え、
前記第２領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の前記濃度よりも高く、
前記第２領域における前記第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の前記濃度よりも高く、
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、
前記第２電極と前記第２領域との間の距離は、前記第１電極と前記第２領域との間の距離よりも短い、構成１に記載の半導体装置。
（構成６）
前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
をさらに備えた、構成１～５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（構成７）
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第２半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第２半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
（構成８）
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第１電極の一部と前記第１半導体領域の前記一部との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
前記第１電極の別の一部と前記第１半導体領域の別の一部との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の上に設けられた第２導電形の第６半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域、前記第４半導体領域、及び前記第６半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
（構成９）
前記第１元素は白金である、構成１～８のいずれか１つに記載の半導体装置。
（構成１）
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
（構成２）
前記第２電極と前記第１領域との間の距離は、前記第１電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、構成１に記載の半導体装置。
（構成３）
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、構成１に記載の半導体装置。
（構成４）
前記第１半導体領域は、第１部分と、前記第１部分の上に設けられた第２部分と、を含み、
前記第２部分におけるｎ形不純物濃度は、前記第１部分におけるｎ形不純物濃度よりも低く、
前記第１領域は、前記第１部分中に設けられた、構成３に記載の半導体装置。
（構成５）
前記第１半導体領域中に設けられた第２領域をさらに備え、
前記第２領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の前記濃度よりも高く、
前記第２領域における前記第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の前記濃度よりも高く、
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、
前記第２電極と前記第２領域との間の距離は、前記第１電極と前記第２領域との間の距離よりも短い、構成１に記載の半導体装置。
（構成６）
前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
をさらに備えた、構成１～５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（構成７）
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第２半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第２半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
（構成８）
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第１電極の一部と前記第１半導体領域の前記一部との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
前記第１電極の別の一部と前記第１半導体領域の別の一部との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の上に設けられた第２導電形の第６半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域、前記第４半導体領域、及び前記第６半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
（構成９）
前記第１元素は白金である、構成１～８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【0092】
以上で説明した各実施形態によれば、リーク電流又はオン抵抗の増加を抑えつつ、半導体装置のスイッチング損失を低減できる。
【0093】
各実施形態における、各半導体領域の間の不純物濃度の相対的な高低については、例えば、ＳＣＭ（走査型静電容量顕微鏡）を用いて確認することが可能である。なお、各半導体領域におけるキャリア濃度は、各半導体領域において活性化している不純物濃度と等しいものとみなすことができる。従って、各半導体領域の間のキャリア濃度の相対的な高低についても、ＳＣＭを用いて確認することができる。また、各半導体領域における不純物濃度については、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定することが可能である。
【0094】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【0095】
１００，１００ａ～１００ｄ：半導体装置、 １０１：カソード領域、 １０１ａ：ｎ形半導体部、 １０１ｂ：ｎ－形半導体部、 １０１ｘ：ｎ－形半導体層、 １０１ｙ：ｎ－形半導体層、 １０２：アノード領域、 １０２ａ：ｐ形半導体部、 １０２ｂ：ｐ＋形半導体部、 １０３：コンタクト領域、 １０３ｘ：ｎ＋形半導体層、 １０４：ガードリング領域、 １０５：絶縁層、 １１１：第１領域、 １１１ｘ：領域、 １１２：第２領域、 １２１：カソード電極、 １２２：アノード電極、 ２００，２００ａ～２００ｄ：半導体装置、 ２０１：ｎ形ベース領域、 ２０１ａ：ｎ形半導体部、 ２０１ｂ：ｎ－形半導体部、 ２０２：ｐ形ベース領域、 ２０２ａ：ｐ形半導体部、 ２０２ｂ：ｐ＋形半導体部、 ２０３：コレクタ領域、 ２０４：エミッタ領域、 ２０５：ガードリング領域、 ２１１：第１領域、 ２１２：第２領域、 ２１５：ゲート電極、 ２１５ａ：ゲート絶縁層、 ２１７：絶縁層、 ２２１：コレクタ電極、 ２２２：エミッタ電極、 ２２３：ゲートパッド、 ２２３ａ：ゲート配線、 ３００，３００ａ～３００ｃ：半導体装置、 ３０１：ｎ形ベース領域、 ３０１ａ：ｎ形半導体部、 ３０１ｂ：ｎ－形半導体部、 ３０２：ｐ形ベース領域、 ３０２ａ：ｐ形半導体部、 ３０２ｂ：ｐ＋形半導体部、 ３０３：コレクタ領域、 ３０４：エミッタ領域、 ３０５：カソード領域、 ３０６：アノード領域、 ３０６ａ：ｐ形半導体部、 ３０６ｂ：ｐ＋形半導体部、 ３１１：第１領域、 ３１２：第２領域、 ３１５：ゲート電極、 ３１５ａ：ゲート絶縁層、 ３１６：導電部、 ３１７：絶縁層、 ３２１：コレクタ電極、 ３２２：エミッタ電極、 ３２３：ゲートパッド、 ３２３ａ：ゲート配線、 ＣＲ：素子領域、 Ｄ１～Ｄ４：距離、 Ｌ：層、 Ｒ１：ＩＧＢＴ領域、 Ｒ２：ダイオード領域、 ＴＲ：終端領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-16
【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電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項2】
前記第２電極と前記第１領域との間の距離は、前記第１電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第１半導体領域は、第１部分と、前記第１部分の上に設けられた第２部分と、を含み、
前記第２部分におけるｎ形不純物濃度は、前記第１部分におけるｎ形不純物濃度よりも低く、
前記第１領域は、前記第１部分中に設けられた、請求項３に記載の半導体装置。
前記第２部分におけるｎ形不純物濃度は、前記第１部分におけるｎ形不純物濃度よりも低く、
前記第１領域は、前記第１部分中に設けられた、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第１半導体領域中に設けられた第２領域をさらに備え、
前記第２領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の前記濃度よりも高く、
前記第２領域における前記第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の前記濃度よりも高く、
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、
前記第２電極と前記第２領域との間の距離は、前記第１電極と前記第２領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
前記第２領域における炭素の濃度は、前記第１半導体領域における炭素の前記濃度よりも高く、
前記第２領域における前記第１元素の濃度は、前記第１半導体領域における前記第１元素の前記濃度よりも高く、
前記第１電極と前記第１領域との間の距離は、前記第２電極と前記第１領域との間の距離よりも短い、
前記第２電極と前記第２領域との間の距離は、前記第１電極と前記第２領域との間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
をさらに備えた、請求項１に記載の半導体装置。
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
をさらに備えた、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項7】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第２半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第２半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第２半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第２半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項8】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第１電極の一部と前記第１半導体領域の前記一部との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
前記第１電極の別の一部と前記第１半導体領域の別の一部との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の上に設けられた第２導電形の第６半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域、前記第４半導体領域、及び前記第６半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の一部の上に設けられた第２導電形の第２半導体領域と、
前記第１電極の一部と前記第１半導体領域の前記一部との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の上に設けられた第１導電形の第４半導体領域と、
前記第１電極から前記第１半導体領域に向かう第１方向に垂直な第２方向において、前記第２半導体領域とゲート絶縁層を介して対面するゲート電極と、
前記第１電極の別の一部と前記第１半導体領域の別の一部との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の上に設けられた第２導電形の第６半導体領域と、
前記第１半導体領域の前記別の一部の中に設けられた第１領域であって、前記第１領域における炭素の濃度は前記第１半導体領域における炭素の濃度よりも高く、前記第１領域における第１元素の濃度は前記第１半導体領域における前記第１元素の濃度よりも高く、前記第１元素は白金、金、鉄、銅、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つである、前記第１領域と、
前記第２半導体領域、前記第４半導体領域、及び前記第６半導体領域の上に設けられた第２電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項9】
前記第１元素は白金である、請求項１～８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0008】
以下の説明において、ｎ＋、ｎ、ｎ－及びｐ＋、ｐの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、ｎ＋はｎよりもｎ形の不純物濃度が相対的に高く、ｎ－はｎよりもｎ形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、ｐ＋はｐよりもｐ形の不純物濃度が相対的に高いことを示す。以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のｐ形とｎ形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0012】
コンタクト領域１０３は、カソード電極１２１とアノード電極１２２との間において、カソード電極１２１の上に設けられている。コンタクト領域１０３は、カソード電極１２１と電気的に接続されている。カソード領域１０１は、コンタクト領域１０３の上に設けられている。コンタクト領域１０３におけるｎ形不純物濃度は、カソード領域１０１におけるｎ形不純物濃度よりも高い。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0025】
カソード電極１２１に対してアノード電極１２２に正の電圧ＶＦが印加されると、カソード領域１０１及びアノード領域１０２から構成されるｐｎダイオードに順方向の電圧が加わる。これにより、カソード領域１０１からアノード領域１０２に順方向電流ＩＦが流れる。すなわち、半導体装置１００がオン状態となる。このとき、カソード領域１０１にキャリアが蓄積され、カソード領域１０１の電気抵抗が低下する。その後、電圧ＶＦが低下し、半導体装置１００に逆方向の電圧ＶＲが加わると、カソード領域１０１に蓄積されたキャリアがカソード電極１２１及びアノード電極１２２へ排出される。これにより、カソード領域１０１からアノード領域１０２へリカバリー電流Ｉｒｒが流れる。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0030】
ｐ形半導体部１０２ａ及びｐ＋形半導体部１０２ｂの上に金属材料をスパッタリングし、アノード電極１２２を形成する。ｎ
＋
形半導体層１０３ｘが所定の厚さになるまで、ｎ
＋
形半導体層１０３ｘの裏面を研削する。図７（ｂ）に示すように、ｎ
＋
形半導体層１０３ｘの裏面に金属材料をスパッタリングし、カソード電極１２１を形成する。以上により、第１実施形態に係る半導体装置１００が製造される。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0037】
第１元素としては、白金が最も好ましい。ライフタイムキラーとして性能を示す指標として、生成ライフタイムと、低注入レベル時でのライフタイムと、がある。生成ライフタイムが短いほど、電子正孔対が生成され易くなり、リーク電流の原因となりうる。また、低注入ライフタイムが小さいほど、デバイスのスイッチング速度が速くなる。つまり、低注入レベル時でのライフタイムをτｓｃ、低注入ライフタイムをτＬＬとしたとき、これらの比τｓｃ／τＬＬが大きいことが望ましい。白金は、高いτｓｃ／τＬＬ値を有する。例えば室温において、白金のτｓｃ／τＬＬ値は、金のτｓｃ／τＬＬ値の１００倍以上である。また、白金のτｓｃ／τＬＬ値は、広く使われている電子線照射法よりも高い値を示す。このため、他の第１元素を用いた場合又は電子線照射による方法に比べて、白金は、ライフタイム制御因子として優れた性能を示す。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0064】
図１６に示す半導体装置２００ｃのように、第１領域２１１は、ｎ形半導体部２０１ａの中に設けられても良い。半導体装置２００ｃがオフ状態のとき、ｎ形半導体部２０１ａは完全には空乏化しない。第１領域２１１は、空乏層が到達しない位置に設けられている。半導体装置２００ｃによれば、半導体装置２００ｂに比べて、リーク電流をより低減できる。
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0080】
例えば、第１領域３１１は、エミッタ電極３２２側に設けられている。すなわち、コレクタ電極３２１と第１領域３１１との間の距離Ｄ１が、エミッタ電極３２２と第１領域３１１との間の距離Ｄ２よりも長い。