特開 2024-162687 半導体装置とその製造方法

(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】P2024162687

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】半導体装置とその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20241114BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20241114BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 657D

H01L29/78 653A

H01L29/78 655B

H01L29/78 655D

H01L29/78 658A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023078489

(22)【出願日】2023-05-11

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 寛人

(72)【発明者】

【氏名】杉村 温

(72)【発明者】

【氏名】宮田 征典

(72)【発明者】

【氏名】住友 正清

(57)【要約】

【課題】 ＲＣ－ＩＧＢＴにおいて、リカバリ損失を低減しながら、サージ電圧を抑制する。
【解決手段】 半導体装置であって、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に跨って分布しているｎ型のフィールドストップ領域と、前記ＩＧＢＴ領域内で前記フィールドストップ領域の下側に配置されているｐ型のコレクタ領域と、前記ダイオード領域内で前記フィールドストップ領域の下側に配置されている複数のｎ型のカソード領域と、前記ダイオード領域内で前記フィールドストップ領域の下側に配置されている複数のｐ型のサージ抑制領域、を有する。前記各カソード領域が、前記下部電極に接しているとともに１×１０^１９ｃｍ^－３以上のｎ型不純物濃度を有する第１カソード領域と、前記第１カソード領域と前記フィールドストップ領域の間に配置されているとともにｎ型不純物の活性化率が８５％以下である第２カソード領域、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置であって、
ＩＧＢＴ領域（３０）とダイオード領域（４０）とを有する半導体基板（１２）と、
前記ＩＧＢＴ領域内と前記ダイオード領域内で前記半導体基板の上面に接する上部電極（２２）と、
前記ＩＧＢＴ領域内と前記ダイオード領域内で前記半導体基板の下面に接する下部電極（２４）と、
ゲート電極（１６ａ）、
を有し、
前記半導体基板が、
前記ＩＧＢＴ領域内で前記上部電極に接するｎ型のエミッタ領域（５２）と、
前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域に跨って分布しており、前記ＩＧＢＴ領域内と前記ダイオード領域内で前記上部電極に接している上部ｐ型領域（５４、５６）と、
前記上部ｐ型領域の下側に配置されており、前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域に跨って分布しており、前記上部ｐ型領域によって前記エミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域（５８）と、
前記ドリフト領域の下側に配置されており、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有しており、前記半導体基板の厚み方向に沿うｎ型不純物濃度分布において山型分布（Ｍ１）を有し、前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域に跨って分布しているｎ型のフィールドストップ領域（６０）と、
前記ＩＧＢＴ領域内に配置されており、前記フィールドストップ領域の下側に配置されており、前記下部電極に接するｐ型のコレクタ領域（６４）と、
前記ダイオード領域内に配置されており、前記フィールドストップ領域の下側に配置されており、前記下部電極に接する複数のｎ型のカソード領域（６６）と、
前記ダイオード領域内に配置されており、前記フィールドストップ領域の下側に配置されており、前記下部電極に接する複数のｐ型のサージ抑制領域（７０）、
を有し、
前記ゲート電極が、前記エミッタ領域と前記ドリフト領域の間の前記上部ｐ型領域に対してゲート絶縁膜（１８）を介して対向しており、
前記ダイオード領域内では、前記半導体基板の前記下面において、特定方向に沿って複数の前記カソード領域と複数の前記サージ抑制領域が交互に配置されており、
前記各カソード領域が、
前記下部電極に接しており、１×１０^１９ｃｍ^－３以上のｎ型不純物濃度を有する第１カソード領域（６６ａ）と、
前記第１カソード領域と前記フィールドストップ領域の間に配置されており、ｎ型不純物の活性化率が８５％以下である第２カソード領域（６６ｂ）、
を有する、
半導体装置。

【請求項2】

前記第２カソード領域内に、前記半導体基板の厚み方向に沿うｎ型不純物濃度分布において山型分布（Ｍ２）が設けられている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第２カソード領域内に設けられた前記山型分布が、１×１０^１８ｃｍ^－３より高く１×１０^１９ｃｍ^－３より低いピーク値を有する、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板の前記下面にｐ型不純物とｎ型不純物をイオン注入することによって、前記コレクタ領域、前記カソード領域、及び、前記サージ抑制領域を形成する工程と、
前記コレクタ領域、前記カソード領域、及び、前記サージ抑制領域の形成後に、前記半導体基板の前記下面にレーザを照射する工程、
を有し、
前記レーザを照射する前記工程では、前記半導体基板の前記下面の近傍の表層部に９５０℃以上の加熱範囲（９４）を形成し、
前記加熱範囲の厚さが、前記カソード領域の厚さよりも薄い、
製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。

【0002】

特許文献１には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードを有する半導体装置の製造方法が開示されている。以下では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタをＩＧＢＴ（すなわち、Insulated Gate Bipolar Transistor）という場合がある。また、以下では、ＩＧＢＴとダイオードを有する半導体装置を、ＲＣ－ＩＧＢＴという場合がある。特許文献１の製造方法では、ｎ型不純物のイオン注入によってｎ型のカソード領域を形成する。次に、半導体基板にヘリウムイオンを照射することによって、カソード領域内に結晶欠陥を形成する。カソード領域内に結晶欠陥を形成することで、ＩＧＢＴがターンオンするときにスナップバックを抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－２１１１４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ダイオードに対する印加電圧が順電圧から逆電圧に切り換わると、ダイオードの内部に存在するホールがアノード電極に排出される。これによって、ダイオードに逆方向にリカバリ電流が流れる。特許文献１のＲＣ－ＩＧＢＴでは、カソード領域内の結晶欠陥が再結合中心として機能する。このため、リカバリ動作時にホールが結晶欠陥において再結合により消滅し、リカバリ電流が早期に減衰する。これにより、ダイオードのリカバリ損失が低減される。

【0005】

ダイオードに対する印加電圧が高速で変化する場合がある。ダイオードに対する印加電圧が順電圧から逆電圧に高速で切り換わる場合に、リカバリ電流の減衰速度が過度に速くなることでサージ電圧が発生する場合がある。カソード領域内に結晶欠陥が存在すると、リカバリ電流が減衰し易いので、サージ電圧が発生し易い。

【0006】

以上に説明したように、カソード領域内に結晶欠陥が存在すると、リカバリ損失を低減できる一方で、印加電圧が高速で変化する場合にサージ電圧が発生し易い。本明細書では、ＲＣ－ＩＧＢＴにおいて、リカバリ損失を低減しながら、サージ電圧を抑制する技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書が開示する半導体装置は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域とを有する半導体基板と、前記ＩＧＢＴ領域内と前記ダイオード領域内で前記半導体基板の上面に接する上部電極と、前記ＩＧＢＴ領域内と前記ダイオード領域内で前記半導体基板の下面に接する下部電極と、ゲート電極を有する。前記半導体基板は、エミッタ領域と、上部ｐ型領域と、ドリフト領域と、フィールドストップ領域と、コレクタ領域と、複数のカソード領域と、複数のサージ抑制領域、を有する。前記エミッタ領域は、前記ＩＧＢＴ領域内で前記上部電極に接するｎ型領域である。前記上部ｐ型領域は、前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域に跨って分布しており、前記ＩＧＢＴ領域内と前記ダイオード領域内で前記上部電極に接している。前記ドリフト領域は、前記上部ｐ型領域の下側に配置されており、前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域に跨って分布しており、前記上部ｐ型領域によって前記エミッタ領域から分離されているｎ型領域である。前記フィールドストップ領域は、前記ドリフト領域の下側に配置されており、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有しており、前記半導体基板の厚み方向に沿うｎ型不純物濃度分布において山型分布を有し、前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域に跨って分布しているｎ型領域である。前記コレクタ領域は、前記ＩＧＢＴ領域内に配置されており、前記フィールドストップ領域の下側に配置されており、前記下部電極に接するｐ型領域である。複数の前記カソード領域は、前記ダイオード領域内に配置されており、前記フィールドストップ領域の下側に配置されており、前記下部電極に接するｎ型領域である。複数の前記サージ抑制領域は、前記ダイオード領域内に配置されており、前記フィールドストップ領域の下側に配置されており、前記下部電極に接するｐ型領域である。前記ゲート電極が、前記エミッタ領域と前記ドリフト領域の間の前記上部ｐ型領域に対してゲート絶縁膜を介して対向している。前記ダイオード領域内では、前記半導体基板の前記下面において、特定方向に沿って複数の前記カソード領域と複数の前記サージ抑制領域が交互に配置されている。前記各カソード領域が、前記下部電極に接しているとともに１×１０^１９ｃｍ^－３以上のｎ型不純物濃度を有する第１カソード領域と、前記第１カソード領域と前記フィールドストップ領域の間に配置されているとともにｎ型不純物の活性化率が８５％以下である第２カソード領域、を有する。

【0008】

なお、本明細書において、上部ｐ型領域は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に跨って分布しているとともにＩＧＢＴ領域内とダイオード領域内で上部電極に接しているｐ型領域であれば、どのようなｐ型領域であってもよい。例えば、ＩＧＢＴ領域内の上部ｐ型領域とダイオード領域内の上部ｐ型領域とで、ｐ型不純物の濃度プロファイルが等しくてもよいし、ｐ型不純物の濃度プロファイルが異なっていてもよい。

【0009】

この半導体装置では、上部電極がＩＧＢＴのエミッタ電極として機能するとともにダイオードのアノード電極として機能する。また、下部電極がＩＧＢＴのコレクタ電極として機能するとともにダイオードのカソード電極として機能する。カソード領域は、第１カソード領域と第２カソード領域を有する。第１カソード領域が１×１０^１９ｃｍ^－３以上のｎ型不純物濃度を有するので、第１カソード領域は低い接触抵抗で下部電極に接している。したがって、ダイオードがオンするときに損失が生じ難い。また、第２カソード領域ではｎ型不純物の活性化率が８５％以下であるので、第２カソード領域内には活性化していないｎ型不純物が多く存在する。第２カソード領域内の活性化していないｎ型不純物は、結晶欠陥を構成するので、ホールの再結合中心として機能する。また、ダイオード領域内には、カソード領域の隣にｐ型のサージ抑制領域が配置されている。ダイオードに対する印加電圧が順電圧から逆電圧に高速で切り換わると、ダイオードにリカバリ電流が流れる。第２カソード領域内の結晶欠陥（すなわち、活性化していないｎ型不純物）はリカバリ電流を減衰させるように作用する。他方、ダイオードに対する印加電圧が順電圧から逆電圧に高速で切り換わると、サージ抑制領域からドリフト領域にホールが注入される。このようにドリフト領域にホールが注入されると、リカバリ電流が減衰し難くなる。したがって、ダイオードに対する印加電圧が順電圧から逆電圧に高速で切り換わる場合には、リカバリ電流の急速な減衰が抑制され、サージ電圧の発生が抑制される。また、ダイオードに対する印加電圧が順電圧から逆電圧に通常の速度で切り換わる場合には、サージ抑制領域からドリフト領域へのホールの注入はほとんど生じない。したがって、この場合には、第２カソード領域内の結晶欠陥がリカバリ電流を早期に減衰させる。したがって、リカバリ損失を低減できる。このように、この半導体装置によれば、通常のリカバリ動作ではリカバリ損失を低減でき、印加電圧が急速に切り換わる場合にはサージ電圧を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１の半導体装置の断面図。

【図2】図１のＡ－Ａ線の位置における不純物濃度分布を示すグラフ。

【図3】図１のＢ－Ｂ線及びＣ－Ｃ線の位置における不純物濃度分布を示すグラフ。

【図4】電圧Ｖａｋの切り換え速度が遅い場合のリカバリ特性を示すグラフ。

【図5】電圧Ｖａｋの切り換え速度が速い場合のリカバリ特性を示すグラフ。

【図6】実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。

【図7】実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。

【図8】実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。

【図9】実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。

【図10】実施例２の半導体装置のＡ－Ａ線の位置における不純物濃度分布を示すグラフ。

【図11】実施例３の半導体装置のＢ－Ｂ線及びＣ－Ｃ線の位置における不純物濃度分布を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本明細書が開示する一例の形態では、前記第２カソード領域内に、前記半導体基板の厚み方向に沿うｎ型不純物濃度分布において山型分布が設けられていてもよい。

【0012】

このように第２カソード領域内のｎ型不純物濃度を高くすると、第２カソード領域内の活性化率をより低くすることができる。したがって、リカバリ損失をより効果的に抑制できる。

【0013】

前記第２カソード領域内に設けられた前記山型分布が、１×１０^１８ｃｍ^－３より高く１×１０^１９ｃｍ^－３より低いピーク値を有していてもよい。

【0014】

上述したいずれかの半導体装置は、以下の製造方法により製造されてもよい。この製造方法は、イオン注入工程とレーザ照射工程を有していてもよい。前記イオン注入工程では、前記半導体基板の前記下面にｐ型不純物とｎ型不純物をイオン注入することによって、前記コレクタ領域、前記カソード領域、及び、前記サージ抑制領域を形成してもよい。前記レーザ照射工程では、前記コレクタ領域、前記カソード領域、及び、前記サージ抑制領域の形成後に、前記半導体基板の前記下面にレーザを照射してもよい。前記レーザを照射する前記工程では、前記半導体基板の前記下面の近傍の表層部に９５０℃以上の加熱範囲を形成してもよい。前記加熱範囲の厚さが、前記カソード領域の厚さよりも薄くてもよい。

【0015】

この製造方法によれば、第２カソード領域内のｎ型不純物の活性化率を低くすることができる。

【実施例0016】

図１に示す実施例１の半導体装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、シリコンによって構成されている。但し、半導体基板１２がシリコン以外の半導体材料によって構成されていてもよい。半導体基板１２は、ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０を有している。ＩＧＢＴ領域３０にはＩＧＢＴが設けられており、ダイオード領域４０にはダイオードが設けられている。すなわち、半導体装置１０はＲＣ－ＩＧＢＴである。

【0017】

半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ１４が設けられている。各トレンチ１４は、上面１２ａにおいて互いに平行に伸びている。ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０のそれぞれに複数のトレンチ１４が設けられている。各トレンチ１４の内面は、ゲート絶縁膜１８によって覆われている。各トレンチ１４内に電極１６が配置されている。各電極１６は、ゲート絶縁膜１８によって半導体基板１２から絶縁されている。ＩＧＢＴ領域３０内の電極１６は、ゲート電極１６ａである。各ゲート電極１６ａは、図示しないゲートパッドに接続されている。ゲートパッドには、外部回路が接続される。各ゲート電極１６ａの電位は、外部回路によって制御される。ダイオード領域４０内の電極１６は、ダミー電極１６ｂである。各ダミー電極１６ｂは、ゲートパッドに接続されていてもよいし、ゲートパッドに接続されずに他の電極（例えば、上部電極２２）に接続されていてもよい。各ダミー電極１６ｂがゲートパッドに接続されている場合には、各ダミー電極１６ｂはゲート電極１６ａと同じ電位を有する。各ダミー電極１６ｂがゲートパッドに接続されていない場合には、各ダミー電極１６ｂの電位はゲート電極１６ａから独立している。

【0018】

半導体基板１２の上部に、層間絶縁膜２０と上部電極２２が設けられている。層間絶縁膜２０は、ゲート電極１６ａ及びダミー電極１６ｂの上面を覆っている。層間絶縁膜２０には、複数のコンタクトホール２０ａが設けられている。各コンタクトホール２０ａは、トレンチ１４が存在しない位置に配置されている。ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０のそれぞれに複数のコンタクトホール２０ａが設けられている。上部電極２２は、層間絶縁膜２０と半導体基板１２の上面１２ａを覆っている。上部電極２２は、各コンタクトホール２０ａ内で半導体基板１２の上面１２ａに接している。したがって、上部電極２２は、ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０のそれぞれで上面１２ａに接している。

【0019】

半導体基板１２の下部に、下部電極２４が設けられている。下部電極２４は、半導体基板１２の下面１２ｂの全域を覆っている。したがって、下部電極２４は、ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０のそれぞれで下面１２ｂに接している。

【0020】

ＩＧＢＴ領域３０内には、複数のｎ型のエミッタ領域５２が設けられている。各エミッタ領域５２は、高いｎ型不純物濃度を有している。各エミッタ領域５２は、トレンチ１４の間の領域（以下、トレンチ間領域という）に配置されている。各エミッタ領域５２は、半導体基板１２の上面１２ａを含む範囲に配置されている。各エミッタ領域５２は、対応するコンタクトホール２０ａにおいて、上部電極２２にオーミック接触している。各エミッタ領域５２は、対応するトレンチ１４の側面の上端部においてゲート絶縁膜１８に接している。

【0021】

ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０に跨って、上部ｐ型領域が設けられている。以下では、ＩＧＢＴ領域３０内の上部ｐ型領域をボディ領域５４と呼び、ダイオード領域４０内の上部ｐ型領域をアノード領域５６という。上部ｐ型領域は、ＩＧＢＴ領域３０及びダイオード領域４０内の各コンタクトホール２０ａにおいて上部電極２２に接している。

【0022】

ボディ領域５４は、低濃度領域５４ｂと複数のコンタクト領域５４ａを有している。各コンタクト領域５４ａは、低濃度領域５４ｂよりも高いｐ型不純物濃度を有している。各コンタクト領域５４ａは、対応するトレンチ間領域に配置されている。各コンタクト領域５４ａは、半導体基板１２の上面１２ａを含む範囲に配置されている。各コンタクト領域５４ａは、対応するコンタクトホール２０ａにおいて、上部電極２２にオーミック接触している。低濃度領域５４ｂは、複数のトレンチ間領域に跨って分布している。低濃度領域５４ｂは、コンタクト領域５４ａとエミッタ領域５２の下側に配置されている。低濃度領域５４ｂによって、各エミッタ領域５２は後述するドリフト領域５８から分離されている。低濃度領域５４ｂは、各エミッタ領域５２の下側でゲート絶縁膜１８に接している。各ゲート電極１６ａは、エミッタ領域５２とドリフト領域５８の間の低濃度領域５４ｂに対してゲート絶縁膜１８を介して対向している。

【0023】

アノード領域５６は、低濃度領域５６ｂと複数のコンタクト領域５６ａを有している。各コンタクト領域５６ａは、低濃度領域５６ｂよりも高いｐ型不純物濃度を有している。各コンタクト領域５６ａは、対応するトレンチ間領域に配置されている。各コンタクト領域５６ａは、半導体基板１２の上面１２ａを含む範囲に配置されている。各コンタクト領域５６ａは、対応するコンタクトホール２０ａにおいて、上部電極２２にオーミック接触している。低濃度領域５６ｂは、複数のトレンチ間領域に跨って分布している。低濃度領域５６ｂは、コンタクト領域５４ａの下側に配置されている。

【0024】

上部ｐ型領域（すなわち、ボディ領域５４とアノード領域５６）の下側に、ｎ型のドリフト領域５８が設けられている。ドリフト領域５８のｎ型不純物濃度は低い。ドリフト領域５８は、ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０に跨って分布している。ドリフト領域５８は、ボディ領域５４及びアノード領域５６に対して下側から接している。ドリフト領域５８は、ボディ領域５４及びアノード領域５６の下側でゲート絶縁膜１８に接している。

【0025】

ドリフト領域５８の下側に、フィールドストップ領域６０が設けられている。フィールドストップ領域６０は、ドリフト領域５８よりも高いｎ型不純物濃度を有するｎ型領域である。フィールドストップ領域６０は、ＩＧＢＴ領域３０とダイオード領域４０に跨って分布している。フィールドストップ領域６０は、ドリフト領域５８に対して下側から接している。

【0026】

ＩＧＢＴ領域３０内では、フィールドストップ領域６０の下側に中間ｎ型領域６２とコレクタ領域６４が配置されている。コレクタ領域６４は、高いｐ型不純物濃度を有するｐ型領域である。コレクタ領域６４は、半導体基板１２の下面１２ｂを含む範囲に配置されており、下部電極２４に対してオーミック接触している。中間ｎ型領域６２は、ドリフト領域５８と同程度のｎ型不純物濃度を有するｎ型領域である。ＩＧＢＴ領域３０内では、中間ｎ型領域６２はフィールドストップ領域６０とコレクタ領域６４の間に配置されている。

【0027】

ダイオード領域４０内では、フィールドストップ領域６０の下側に複数の中間ｎ型領域６２、複数のカソード領域６６及び複数のサージ抑制領域７０が配置されている。各カソード領域６６は、ドリフト領域５８よりも高いｎ型不純物濃度を有するｎ型領域である。各カソード領域６６は、半導体基板１２の下面１２ｂを含む範囲に配置されている。各サージ抑制領域７０は、高いｐ型不純物濃度を有するｐ型領域である。各サージ抑制領域７０のｐ型不純物濃度は、コレクタ領域６４のｐ型不純物濃度と略等しい。各サージ抑制領域７０は、半導体基板１２の下面１２ｂを含む範囲に配置されている。ダイオード領域４０内では、半導体基板１２の下面１２ｂにおいて、特定方向（図１では、各トレンチ１４と直交する方向）に沿って複数のカソード領域６６と複数のサージ抑制領域７０が交互に配置されている。各カソード領域６６と各サージ抑制領域７０は、下部電極２４に対してオーミック接触している。ダイオード領域４０内では、中間ｎ型領域６２はフィールドストップ領域６０とサージ抑制領域７０の間に配置されている。

【0028】

各カソード領域６６は、１×１０^１９ｃｍ^－３以上のｎ型不純物濃度を有する第１カソード領域６６ａと、１×１０^１９ｃｍ^－３未満のｎ型不純物濃度を有する第２カソード領域６６ｂを有している。第１カソード領域６６ａは、半導体基板１２の下面１２ｂを含む範囲に配置されている。第１カソード領域６６ａは、下部電極２４に対してオーミック接触している。第２カソード領域６６ｂは、第１カソード領域６６ａとフィールドストップ領域６０の間に配置されている。第２カソード領域６６ｂは、フィールドストップ領域６０に対して下側から接しているとともに、第１カソード領域６６ａに対して上側から接している。

【0029】

次に、ドリフト領域５８、フィールドストップ領域６０、中間ｎ型領域６２、コレクタ領域６４、カソード領域６６及びサージ抑制領域７０内の不純物濃度分布について説明する。図２は図１のＡ－Ａ線における不純物濃度分布であり、図３は図１のＢ－Ｂ線及びＣ－Ｃ線における不純物濃度分布である。なお、Ｂ－Ｂ線とＣ－Ｃ線では不純物濃度分布は略等しい。図２、３において、横軸は半導体基板の厚み方向における位置を示しており、原点が下面１２ｂの位置に対応する。また、図２、３において、グラフＮはｎ型不純物濃度分布を示し、グラフＰはｐ型不純物濃度分布を示す。

【0030】

図２、３に示すように、ドリフト領域５８内では、ｎ型不純物濃度が低い値で略均一に分布している。

【0031】

図２、３に示すように、フィールドストップ領域６０内では、半導体基板１２の厚み方向において、ｎ型不純物濃度が山型分布Ｍ１を形成している。すなわち、厚み方向における山型分布Ｍ１がＩＧＢＴ領域３０からダイオード領域４０にかけて連続的に存在している領域がフィールドストップ領域６０である。フィールドストップ領域６０内のｎ型不純物濃度のピーク値は、１×１０^１９ｃｍ^－３未満である。

【0032】

図２に示すように、第１カソード領域６６ａ内では、ｎ型不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上である。第１カソード領域６６ａ内では、ｎ型不純物濃度が高い値（例えば、図２では１×１０^２０ｃｍ^－３程度）で略一定で分布している。言い換えると、第１カソード領域６６ａ内では、ボックスプロファイルでｎ型不純物が分布している。第２カソード領域６６ｂはフィールドストップ領域６０と第１カソード領域６６ａの間のｎ型領域である。第２カソード領域６６ｂ内のｎ型不純物濃度は、フィールドストップ領域６０の下端６０Ｌにおけるｎ型不純物濃度よりも高く、かつ、１×１０^１９ｃｍ^－３未満である。図２では、第２カソード領域６６ｂ内において、上側から下側に向かってｎ型不純物濃度が連続的に上昇している。

【0033】

図３に示すように、中間ｎ型領域６２、コレクタ領域６４及びサージ抑制領域７０内では、ｎ型不純物濃度がドリフト領域５８内と同程度の値で均一に分布している。コレクタ領域６４及びサージ抑制領域７０内では、ｐ型不純物濃度がｎ型不純物濃度よりも高い。コレクタ領域６４及びサージ抑制領域７０内では、ボックスプロファイルでｐ型不純物が分布している。

【0034】

図２のグラフＸは、活性化しているｎ型不純物の濃度分布を示している。すなわち、グラフＮは、活性化しているｎ型不純物と活性化していないｎ型不純物を合わせたｎ型不純物の濃度分布を示している一方で、グラフＸは、活性化しているｎ型不純物の濃度分布を示している。なお、グラフＸに示す値（すなわち、活性化しているｎ型不純物の濃度）は、半導体基板１２中の抵抗の分布を厚み方向に沿って測定し、その測定結果から算出した値である。グラフＮとグラフＸの差は、活性化していないｎ型不純物の濃度に相当する。図２に示すように、第２カソード領域６６ｂ内において、グラフＮとグラフＸの差が大きい。第２カソード領域６６ｂ内におけるｎ型不純物の活性化率は、８５％以下である。なお、本明細書において、活性化率は、対象の領域中において活性化しているｎ型不純物の総量を、対象の領域に存在するｎ型不純物の総量で除算した値を意味する。例えば、グラフＸを第２カソード領域６６ｂ内で積分した値を、グラフＮを第２カソード領域６６ｂ内で積分した値によって除算することで、第２カソード領域６６ｂ内の活性化率を算出することができる。第２カソード領域６６ｂ内ではｎ型不純物の活性化率が低いので、第２カソード領域６６ｂ内には活性化していないｎ型不純物が高濃度で存在する。半導体基板１２中で活性化していない不純物は、結晶欠陥の一種であり、キャリアの再結合中心として作用する。したがって、第２カソード領域６６ｂ内ではキャリアライフタイムが短い。図２に示すように、第１カソード領域６６ａ内では、第２カソード領域６６ｂ内よりもｎ型不純物の活性化率が高い。例えば、第１カソード領域６６ａ内におけるｎ型不純物の活性化率が８５％より高くてもよい。

【0035】

次に、半導体装置１０の動作について説明する。上部電極２２はＩＧＢＴのエミッタ電極として機能するとともにダイオードのアノード電極として機能する。下部電極２４はＩＧＢＴのコレクタ電極として機能するとともにダイオードのカソード電極として機能する。

【0036】

半導体装置１０がＩＧＢＴとして動作する場合には、下部電極２４に対して上部電極２２よりも高い電位が印加される。ゲート電極１６ａにゲート閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜１８に隣接する範囲で低濃度領域５４ｂにチャネルが形成され、チャネルによってエミッタ領域５２とドリフト領域５８が接続される。このため、ＩＧＢＴがオンし、エミッタ領域５２からチャネルを介してドリフト領域５８に電子が流入する。また、ＩＧＢＴがオンすると、コレクタ領域６４からドリフト領域５８にホールが流入する。これによって、ドリフト領域５８の抵抗が低下し、電子がドリフト領域５８内を低抵抗で流れる。電子は、ドリフト領域５８を通過した後にコレクタ領域６４へ流れる。

【0037】

ＲＣ－ＩＧＢＴでは、ＩＧＢＴのターンオンの開始時（すなわち、チャネルの抵抗が高い状態のとき）に、ドリフト領域５８からカソード領域６６に電子が流れる。この状態では、ＩＧＢＴのオン電圧は高い。その後、チャネルの抵抗が低下すると、ドリフト領域５８からコレクタ領域６４へ電子が流れるようになり、ＩＧＢＴのオン電圧が低下する。このように、ターンオンの開始時においてオン電圧が一時的に高くなる現象は、スナップバックと呼ばれる。実施例１の半導体装置では、ダイオード領域４０内においてカソード領域６６とサージ抑制領域７０が交互に設けられており、下面１２ｂにおけるカソード領域６６の面積比率が低い。このため、ＩＧＢＴのターンオン時にドリフト領域５８からカソード領域６６へ電子が流れ難い。これによって、スナップバックが抑制される。

【0038】

半導体装置１０がダイオードとして動作する場合には、上部電極２２に対して下部電極２４よりも高い電位が印加される。この状態では、カソード領域６６からドリフト領域５８に電子が流入する。また、アノード領域５６からドリフト領域５８にホールが流入する。これによって、ドリフト領域５８の抵抗が低下し、電子がドリフト領域５８内を低抵抗で流れる。電子は、ドリフト領域５８を通過した後にアノード領域５６へ流れる。ホールは、ドリフト領域５８を通過した後にカソード領域６６へ流れる。

【0039】

半導体装置１０がダイオードとして動作している状態において、上部電極２２と下部電極２４の間の電圧Ｖａｋが、順電圧（すなわち、上部電極２２の電位が下部電極２４の電位よりも高くなる電圧）から逆電圧（すなわち、下部電極２４の電位が上部電極２２の電位よりも高くなる電圧）に切り換わる場合がある。このように電圧Ｖａｋが切り換わると、ダイオードがリカバリ動作を行う。ダイオードのリカバリ動作では、ドリフト領域５８、フィールドストップ領域６０及びカソード領域６６中に存在するホールが、アノード領域５６を介して上部電極２２へ排出される。このようにホールが流れることで、ダイオードに瞬間的に逆電流（いわゆる、リカバリ電流）が流れる。リカバリ電流を早期に減衰させることで、リカバリ損失を抑制することができる。他方、リカバリ電流の減衰速度が速すぎると、リカバリ電流の急速な変化に伴ってサージ電圧が発生する。実施例１の半導体装置では電圧Ｖａｋが切り換わる速度が速い場合と遅い場合とでダイオードの動作が変化し、これによってリカバリ損失の低減とサージの抑制の両方が実現される。以下に、電圧Ｖａｋが切り換わる速度が遅い場合と速い場合のそれぞれについて、実施例１の半導体装置の動作を説明する。

【0040】

（電圧Ｖａｋの切り換え速度が遅い場合）
図４は、電圧Ｖａｋの切り換え速度が遅い場合において、実施例１のダイオードと比較例１のダイオードのリカバリ特性を比較して示している。比較例１のダイオードは、第２カソード領域６６ｂ内のｎ型不純物の活性化率が高い点で実施例１のダイオードとは異なる。図４において、電圧Ｖａｋはカソード（すなわち、下部電極２４）の電位が高い方をプラスとして示している。図４では、電圧Ｖａｋのグラフが実施例１と比較例１とで重なっている。図４において、電流Ｉ_Ｆはダイオードに流れる電流を示している。正の値は順方向に流れる電流を示し、負の値は逆方向に流れる電流を示している。

【0041】

図４において、電流Ｉ_Ｆが負であるときがリカバリ状態である。リカバリ状態では、ドリフト領域５８、フィールドストップ領域６０及びカソード領域６６内に存在するホールがアノード領域５６を介して上部電極２２へ排出される。アノード領域５６に近い位置に存在するホールほど上部電極２２へ排出され易い。したがって、カソード領域６６内に存在するホールは、上部電極２２へ排出されるまでに時間を要する。比較例１のダイオードでは、カソード領域６６内に存在するホールが上部電極２２へ排出されるまでリカバリ電流が流れるので、リカバリ電流が減衰し難い。これに対し、実施例１のダイオードでは、第２カソード領域６６ｂのｎ型不純物の活性化率が低いので、第２カソード領域６６ｂ内におけるキャリアライフタイムが短い。したがって、第２カソード領域６６ｂ内で多くのホールが電子との再結合によって消滅する。このため、実施例１のダイオードでは、比較例１のダイオードよりも、リカバリ電流が速く減衰する。したがって、実施例１のダイオードでは、リカバリ損失が生じ難い。なお、サージ抑制領域７０は、電圧Ｖａｋの切り換え速度が遅い場合のダイオードの特性にほとんど影響を与えない。

【0042】

（電圧Ｖａｋの切り換え速度が速い場合）
図５は、電圧Ｖａｋの切り換え速度が速い場合において、実施例１のダイオードと比較例２のダイオードのリカバリ特性を比較して示している。比較例２のダイオードでは、実施例１のダイオードと同様に、第２カソード領域６６ｂ内のｎ型不純物の活性化率が低い。比較例２のダイオードは、サージ抑制領域７０を有さない点で実施例１のダイオードとは異なる。

【0043】

比較例２のダイオードでは、第２カソード領域６６ｂ内のｎ型不純物の活性化率が低いので、リカバリ電流が減衰し易い。このため、電圧Ｖａｋの切り換え速度が速い場合に、図５に示すようにリカバリ電流の減衰速度が極めて速くなる。その結果、電気回路の寄生インダクタンスの影響により、リカバリ動作時にサージ電圧Ｖｓが発生する。他方、実施例１のダイオードでは、電圧Ｖａｋの切り換え速度が速い場合にはサージ抑制領域７０からドリフト領域５８にホールが流入する。ドリフト領域５８にホールが流入することで、リカバリ電流の減衰速度が遅くなる。これによって、図５に示すように、リカバリ電流の減衰速度が過度に速くなることが防止され、サージ電圧が抑制される。

【0044】

以上に説明したように、実施例１の半導体装置では、電圧Ｖａｋの切り換え速度が遅い場合には、第２カソード領域６６ｂによってリカバリ電流の減衰が促進され、リカバリ損失が低減される。また、実施例１の半導体装置では、電圧Ｖａｋの切り換え速度が速い場合には、サージ抑制領域７０によってリカバリ電流の減衰速度が過度に速くなることが防止され、サージ電圧が抑制される。

【0045】

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。まず、図６に示すように、半導体装置１０の上面側の構造とフィールドストップ領域６０を形成する。次に、図７に示すように、半導体基板１２の下面１２ｂ全域にｐ型不純物を注入することで、下面１２ｂ近傍の表層部にｐ型領域７２を形成する。ｐ型領域７２は、コレクタ領域６４とサージ抑制領域７０に相当するｐ型領域である。次に、図８に示すように、下面１２ｂの一部（すなわち、カソード領域６６に相当する範囲）にｐ型領域７２のｐ型不純物濃度よりも高濃度にｎ型不純物を注入することによって、カソード領域６６を形成する。ここでは、カソード領域６６をｐ型領域７２よりも厚くする。カソード領域６６の形成後に残存するｐ型領域７２は、コレクタ領域６４及びサージ抑制領域７０となる。

【0046】

次に、図９に示すように、半導体基板１２の下面１２ｂ全体を走査するようにレーザＬを照射することによって、半導体基板１２の下面１２ｂを加熱する。本実施例では、波長が５３２ｎｍのグリーンレーザをレーザＬとして使用する。レーザＬを照射することで、半導体基板１２のうちの下面１２ｂ近傍の表層部が９５０℃以上の温度に加熱される。以下では、レーザＬの照射によって９５０℃以上の温度に加熱された範囲を、加熱範囲９４という。加熱範囲９４の範囲内では、半導体基板１２が一時的に溶融する。半導体基板１２が一時的に溶融するときに、加熱範囲９４内で不純物が均一に拡散する。その結果、図１～３に示すように、加熱範囲９４内に、ボックスプロファイルを有する第１カソード領域６６ａ、サージ抑制領域７０及びコレクタ領域６４が形成される。ここでは、加熱範囲９４の厚さがカソード領域６６の厚さよりも薄くなるように加熱範囲９４を制御する。したがって、カソード領域６６のうち加熱範囲９４よりも上側の部分が、第１カソード領域６６ａよりもｎ型不純物濃度が低い第２カソード領域６６ｂとなる。第２カソード領域６６ｂは加熱範囲９４内に含まれないので、第２カソード領域６６ｂ内のｎ型不純物は活性化し難い。したがって、活性化率が低い第２カソード領域６６ｂが形成される。

【0047】

レーザ照射工程後に、下部電極２４を形成することで、図１に示す半導体装置が完成する。第１カソード領域６６ａ、サージ抑制領域７０及びコレクタ領域６４が高い不純物濃度を有するので、これらの領域が下部電極２４に対して低いコンタクト抵抗で接触する。

【0048】

なお、図２では、第１カソード領域６６ａ内においてｎ型不純物の活性化率がそれほど高くないが、これは、第１カソード領域６６ａのｎ型不純物濃度が固溶限界に近いためである。これに対し、第２カソード領域６６ｂ内では、ｎ型不純物濃度がそれほど高くないにもかかわらず、ｎ型不純物の活性化率が低い。これは、レーザ照射工程において第２カソード領域６６ｂが加熱範囲９４内に含まれないためである。

【実施例0049】

図１０は実施例２の半導体装置のＡ－Ａ線の位置における不純物濃度分布を示している。実施例２では、第２カソード領域６６ｂ内にｎ型不純物濃度の山型分布Ｍ２が形成されている。山型分布Ｍ２におけるｎ型不純物濃度のピーク値は、１×１０^１８ｃｍ^－３より高く、１×１０^１９ｃｍ^－３よりも低い。実施例２のその他の構成は実施例１と等しい。カソード領域６６に対するｎ型不純物の注入工程において第２カソード領域６６ｂの深さ範囲内に局所的に高濃度でｎ型不純物を注入することで、山型分布Ｍ２を形成することができる。

【0050】

実施例２のように山型分布Ｍ２を形成すると、第２カソード領域６６ｂ内のｎ型不純物濃度が高くなり、第２カソード領域６６ｂ内においてｎ型不純物の活性化率をより低くすることができる。これによって、第２カソード領域６６ｂ内のキャリアライフタイムをより短くすることができる。これによって、ダイオードのリカバリ損失をより効果的に抑制できる。