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JP5679073B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
高耐圧ディスクリートパワーデバイスは、電力変換装置において中心的な役割を果たしている。電力変換装置に用いられる高耐圧ディスクリートパワーデバイスに適した素子として、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、金属−酸化物−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが公知である。
高電圧用の電力変換装置では、導電度変調が生じることによってオン電圧を低くすることができるＩＧＢＴが多用されている。そのため、電力変換装置の損失を低減するためには、電力変換装置に用いられるＩＧＢＴの導通損失およびスイッチング損失を低減することが重要な課題の１つとなっている。従来のＩＧＢＴの断面構造について、例えば、図３４に示すプレーナ構造のＩＧＢＴを用いて説明する。図３４は、従来のＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
図３４に示す従来のＩＧＢＴは、ｐ+コレクタ領域となるｐ+半導体基板１０１の一方の主面（以下、おもて面とする）にｎバッファ層１０４およびｎ-ドリフト領域１０２が設けられている。ｎ-ドリフト領域１０２の抵抗率は、ｎバッファ層１０４よりも高い。ｎ-ドリフト領域１０２の、ｐ+半導体基板１０１側に対して反対側（以下、おもて面側とする）の表面層には、ｐベース領域１０５が選択的に設けられている。ｐベース領域１０５のおもて面側の表面層には、ｎ+エミッタ領域１０６が選択的に設けられている。
ｎ+エミッタ領域１０６の抵抗率は、ｎ-ドリフト領域１０２よりも低い。ｎ+エミッタ領域１０６とｎ-ドリフト領域１０２とに挟まれるｐベース領域１０５の表面上には、ゲート絶縁膜１０７を介してゲート電極１０８が設けられている。エミッタ電極１０９は、ｎ+エミッタ領域１０６およびｐベース領域１０５に接する。エミッタ電極１０９は、図示省略する層間絶縁膜によってゲート電極１０８と絶縁されている。コレクタ電極（不図示）は、ｐ+半導体基板１０１の他方の主面（以下、裏面とする）に接する。
近年、ウエハを薄くする技術が発達し、従来のＩＧＢＴにも適用されている。ウエハを薄くする技術を適用して、図３４に示すような構成を備えた従来のＩＧＢＴを作製（製造）する場合、例えば、ｐ+コレクタ領域となるｐ+半導体基板１０１を用いずに、ｎ-ドリフト領域１０２となるフローティングゾーン（ＦＺ：Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法で作られた半導体ウエハ（以下、ＦＺウエハとする）を用いる。ＦＺウエハを用いた従来のＩＧＢＴの製造方法として、例えば、次の方法が主流となりつつある。
まず、ｎ-ドリフト領域１０２となるＦＺウエハのおもて面に、ｐベース領域１０５、ｎ+エミッタ領域１０６、ゲート絶縁膜１０７およびゲート電極１０８などからなるおもて面素子構造を形成する。そして、ＦＺウエハの裏面側からＦＺウエハを薄くする。その後、ＦＺウエハの裏面の表面層にｎバッファ層１０４およびｐ+コレクタ領域（不図示）を形成することで、図３４に示すような構成を備えた従来のＩＧＢＴが完成する。このようにＦＺウエハを用いてＩＧＢＴを作製することでｐ+コレクタ領域の厚さは２μｍ以下となるが、ｐ+コレクタ領域にＩＧＢＴの機械強度を維持する支持体としての機能はなくなる。
上述した従来のＩＧＢＴの他に、従来のＩＧＢＴとして、コレクタ領域とドリフト領域とからなるｐｎ接合に逆方向耐圧を維持する終端構造を備えた逆阻止型ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ ＩＧＢＴ）が公知である。ＲＢ−ＩＧＢＴは、コレクタ領域とドリフト領域とからなるｐｎ接合にかかる逆バイアス電圧に対して高い逆耐圧特性を有する。従来のＲＢ−ＩＧＢＴの断面構造について説明する。図３５は、従来のＲＢ−ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
図３５に示すＲＢ−ＩＧＢＴは、ｎ-ドリフト領域１０２となる半導体ウエハの裏面全面に、ｐコレクタ領域１１１が設けられている。コレクタ電極１１２は、ｐコレクタ領域１１１に接する。ｎ-ドリフト領域１０２となる半導体ウエハのおもて面からｐコレクタ領域１１１に達するｐ分離領域１２４が設けられている。ｎ-ドリフト領域１０２のおもて面の表面層には、フローティングの複数のｐ領域（フィールドリミッティングリング）１１４が設けられている。
また、ｎ-ドリフト領域１０２のおもて面上には、ポリシリコンからなるフローティングの複数の領域（以下、フィールドプレート領域とする）１１７が設けられている。各フィールドプレート領域１１７は、それぞれ各フィールドリミッティングリング１１４のおもて面側の表面層に設けられたｐ+高濃度領域に接する。ｎ-ドリフト領域１０２のおもて面の最外周に設けられたフィールドプレート１１８は、ｐ分離領域１２４のおもて面側の表面層に設けられたｐ+高濃度領域に接する。各フィールドプレート領域１１７およびフィールドプレート１１８は、それぞれ層間絶縁膜によって絶縁されている。
フィールドリミッティングリング１１４とフィールドプレート領域１１７とで終端構造部が構成される。ｐ分離領域１２４は終端構造部を囲み、終端構造部は活性領域を囲む。活性領域は、半導体装置のオン時に電流が流れる領域である。活性領域において、ｎ-ドリフト領域１０２のおもて面側には、図３４に示すＩＧＢＴと同様に、ｐベース領域１０５、ｎ+エミッタ領域１０６、ゲート絶縁膜１０７、ゲート電極１０８、エミッタ電極１０９、およびゲート電極１０８とエミッタ電極１０９とを互いに絶縁する層間絶縁膜１１６が設けられている。
ｐベース領域１０５の表面層には、ｎ+エミッタ領域１０６に接するｐ+ベースコンタクト領域１１０が設けられている。ｎ+エミッタ領域１０６およびｐ+ベースコンタクト領域１１０は、エミッタ電極１０９によって短絡されている。さらに、ｎ-ドリフト領域１０２のおもて面の表面層には、ｐベース領域１０５のｐコレクタ領域１１１側を覆うようにｎホールバリア領域１１３が設けられている。ｎホールバリア領域１１３の抵抗率は、ｎ-ドリフト領域１０２よりも低い。
図３４，３５にそれぞれ示す従来のＩＧＢＴおよび従来のＲＢ−ＩＧＢＴにおいて、ｎ-ドリフト領域１０２の厚さを薄くすることが導通損失およびスイッチング損失の低減に有効であることは公知である。また、近年、ｎ-ドリフト領域１０２となるウエハを用いて作製される従来のＩＧＢＴにおいて、ｎ-ドリフト領域１０２の裏面の表面層に設けられるｎバッファ層１０４のｎ型不純物濃度を最適化することで、ｎ-ドリフト領域１０２の厚さを所望の素子耐圧に必要な最小限の厚さとしたフィールドストップ（Ｆｉｅｌｄ Ｓｔｏｐ）型ＩＧＢＴが主流となっている。
製造装置や製造方法にも依存するが、ウエハを薄くする際のウエハの厚さの限界値（以下、限界厚さとする）は、製造性の面で８０μｍ程度である。その理由は、ウエハの厚さを８０μｍ以下に薄くした場合、機械強度が低下し、歩留まりが著しく低下するからである。一方、素子耐圧はｎ-ドリフト領域１０２の厚さに依存するため、低耐圧であるほどＩＧＢＴのｎ-ドリフト領域１０２の設計上の厚さは薄くなる。上述したようにウエハの厚さは製造性の面で限界厚さを有しているため、耐圧クラス６００Ｖ以下のＩＧＢＴのｎ-ドリフト領域１０２は、一般的に、所望の耐圧を実現するために設計上必要とされる厚さ以上の厚さとなる。このため、耐圧クラス６００Ｖ以下のＩＧＢＴには、ウエハのさらなる薄板化による性能向上の余地が大きく残されている。
耐圧クラス６００Ｖ以下のＩＧＢＴは、例えば、次のような様々な用途で用いられる。耐圧クラス４００ＶのＩＧＢＴは、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ：Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）やストロボ（Ｓｔｒｏｂｅ）等のパルス電源に広く使用されている。また、電力変換装置への入力電圧が２２０Ｖ（ＡＣ：交流）である場合、整流後のＤＣ（直流）リンク電圧が３００Ｖとなるため、電力変換装置のインバータ部のメイン素子に耐圧クラス６００ＶのＩＧＢＴが用いられる。
さらに、電力変換装置のインバータ部の出力電圧レベル制御を従来の２レベル制御から３レベル制御に変更することで、電力変換装置の電力変換効率が向上することが開示されている（例えば、下記非特許文献１（第１０図）参照。）。そして、電力変換装置のインバータ部の出力電圧レベル制御を３レベル制御とする場合、インバータ部の出力電圧を３レベルに変換する３レベル変換部の中間のスイッチング素子には、耐圧クラス４００ＶのＩＧＢＴが用いられる。また、３レベル変換部の中間のスイッチング素子に、従来のＩＧＢＴとダイオードとを直列に接続した場合と同様の機能を備える耐圧クラス４００ＶのＲＢ−ＩＧＢＴを用いることが提案されている（例えば、下記非特許文献２（第１図）参照。）。
また、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）では、電力変換装置を通して駆動用バッテリーから動力源であるモータに電力が供給されるため、電力変換装置の電力変換効率向上が重要視されている。駆動用バッテリーからモータへの供給電力が８０ｋＷ以下である場合、電力変換装置のＤＣリンク電圧が１００Ｖ〜２５０Ｖ程度であることが適切であるため、電力変換装置のインバータ部のメイン素子に耐圧クラス４００ＶのＩＧＢＴが用いられる。
耐圧クラス４００Ｖを実現するために設計上必要なＩＧＢＴのｎ-ドリフト領域１０２の厚さは４０μｍ程度であり、ウエハの限界厚さよりも薄い。このため、ＩＧＢＴのｎ-ドリフト領域１０２の厚さを４０μｍ程度とした場合、ウエハの機械強度を確保することができない。したがって、耐圧クラス４００ＶのＩＧＢＴを作製するにあたり、ｎ-ドリフト領域１０２の厚さを、耐圧クラス４００Ｖを実現するために設計上必要な４０μｍにまで薄くすることは困難である。
薄いウエハの機械強度を確保する方法として、次の方法が提案されている。図３６，３７は、従来の半導体装置の製造途中の断面構造を示す断面図である。まず、図３６に示すように、おもて面素子構造２０１が形成されたウエハ２００のおもて面を保護レジスト膜２１１で覆う。次に、ウエハ２００の、保護レジスト膜２１１で覆われたおもて面にバックグラインド（ＢＧ：Ｂａｃｋ Ｇｒｉｎｄ）テープ２１２を貼り付ける。次に、図３７に示すように、ウエハ２００の外周端部から数ｍｍ内周側までの部分（以下、リブ部とする）２００−１を残すように、ウエハ２００裏面の中央部２００−２のみを研磨して薄くする。このようにウエハ２００を薄板化することで、ウエハ２００の裏面全体を一様に研磨する場合に比べてウエハ２００のリブ部２００−１での応力集中が解消され、ウエハ２００の機械強度が向上する。このため、ウエハ２００の反りが低減され、チッピングや割れなどが低減される（下記、非特許文献３参照。）。
また、薄いウエハの機械強度を確保する別の方法として、次の方法が提案されている。図３８は、従来の半導体装置の製造途中の断面構造を示す断面図である。まず、図３８に示すように、おもて面素子構造２０１が形成されたウエハ２００のおもて面および裏面を、耐エッチング保護膜である酸化膜２２１で覆う。次に、ウエハ２００の裏面に、ウエハ２００外周端部から内周側に所定の幅で酸化膜２２１を覆うレジストマスク２２２を形成する。次に、レジストマスク２２２をマスクとしてウエハ２００裏面の酸化膜２２１を除去し、ウエハ２００の外周端部から内周側に所定の幅でウエハ２００裏面の酸化膜２２１を残す。次に、酸化膜２２１をマスクとしてエッチングを行い、ウエハ２００裏面を所定の深さまで除去する。これにより、ウエハ２００の外周にリブ部が形成される。次に、ウエハ２００のおもて面および裏面に残る酸化膜２２１を除去する（例えば、下記特許文献１参照。）。
特開２００７−３３５６５９号公報
エー・ナエバ（Ａ．Ｎａｅｂａ）、外２名、ア ニュー ニュートラル−ポイント−クランプトゥ ＰＷＭ インバータ（Ａ Ｎｅｗ Ｎｅｕｔｒａｌ−Ｐｏｉｎｔ−Ｃｌａｍｐｅｄ ＰＷＭ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）、アイ・トリプル・イー トランザクションズ オン インダストリー アプリケイションズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、１９８１年、第１Ａ巻〜第１７巻、第５号、ｐ．５１８−５２３ エム・ヤツ（Ｍ．Ｙａｔｓｕ）、外６名、ア スタディ オブ ハイ エフィシェンシー ＵＰＳ ユージング アドヴァンスド スリー−レベル トポロジー（Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＵＰＳ Ｕｓｉｎｇ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｈｒｅｅ−ｌｅｖｅｌ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ）、プレリミナリー カンファレンス プログラム ＰＣＩＭ ヨーロッパ ２０１０（Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｇｒａｍ ＰＣＩＭ Ｅｕｒｏｐｅ ２０１０）、（ニュルンベルク）、２０１０年５月、ｐ．５５０−５５５ 株式会社ディスコ、"ＴＡＩＫＯプロセス"、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１３年〜平成２３年、インターネット、［平成２３年１０月２８日検索］、＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｉｓｃｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｊｐ／ｓｏｌｕｔｉｏｎ／ｌｉｂｒａｒｙ／ｔａｉｋｏ．ｈｔｍｌ＞
しかしながら、上述した図３６〜３８に示す従来技術では、ウエハ２００の外周のリブ部２００−１だけでウエハ２００を補強しているため、ウエハ２００の中央部２００−２が薄くなるほど、さらにウエハ２００が大口径化するほど、ウエハ２００の機械強度が低くなる。これにより、ウエハ２００が割れやすいという問題が生じる。したがって、上述したように、ウエハ２００の厚さを、製造性の面で上記問題を生じさせない限界厚さである８０μｍ以下に薄くすることができない。
また、上述した図３６〜３８に示す従来技術で薄板化されたウエハ２００では、複数の素子を作りこんだウエハ２００をダイシングし個々のチップに切断する前にウエハ２００に対して行う電気特性試験において、ウエハ２００を載置する支持台にウエハ２００裏面のコレクタ電極などが直接接触してしまう。このため、従来のＩＧＢＴでは、ウエハ２００の裏面に生じる付着物（パーティクル）や擦れなどにより、ｐコレクタ領域１１１やｎバッファ層１０４が損傷し、耐圧が低下したり漏れ電流が増大したりする虞がある。また、従来のＲＢ−ＩＧＢＴでは、ウエハ２００の裏面に生じる付着物や擦れなどにより、ｐコレクタ領域１１１が損傷し、逆耐圧特性が劣化したり逆耐圧特性が得られなかったりする虞がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、機械強度が高い半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、導通損失およびスイッチング損失を低減させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、良品率を向上させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一方の面に接する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面に接し、前記第２半導体領域よりも抵抗率の高い第２導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第１導電型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域内に設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第５半導体領域と、前記第３半導体領域と前記第５半導体領域とに挟まれる第４半導体領域の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第４半導体領域と第５半導体領域とを短絡する第１電極と、前記第１半導体領域の他方の面に接する第２電極と、少なくとも前記第１半導体領域、第２半導体領域および第３半導体領域で構成され、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域と、前記活性領域よりもチップ外周側に設けられた終端構造部と、前記終端構造部に選択的に設けられ、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第２半導体領域側に向かう第１深さ方向の位置が前記第２電極の位置とほぼ等しい絶縁領域と、を備えることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられ、前記第４半導体領域の前記第２半導体領域側を覆う第２導電型の第６半導体領域をさらに備え、前記第３半導体領域、前記第６半導体領域、前記第４半導体領域および前記第５半導体領域の表面上に、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極が設けられていることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一方の面に接する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面に接し、前記第２半導体領域よりも抵抗率の高い第２導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第１導電型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域を貫通し前記第３半導体領域に達するトレンチと、前記トレンチの側壁および底面に沿って設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の内側に埋め込まれたゲート電極と、前記第４半導体領域内で前記トレンチ側壁の前記ゲート絶縁膜に接して設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第５半導体領域と、前記第４半導体領域と第５半導体領域とを短絡する第１電極と、前記第１半導体領域の他方の面に接する第２電極と、少なくとも前記第１半導体領域、第２半導体領域および第３半導体領域で構成され、チップ外周側よりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域と、前記活性領域よりもチップ外周側に設けられた終端構造部と、前記終端構造部に選択的に設けられ、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第２半導体領域側に向かう第１深さ方向の位置が前記第２電極とほぼ等しい絶縁領域と、を備えることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１半導体領域および前記第２電極は、前記活性領域から前記終端構造部にわたって設けられており、前記絶縁領域の、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第１深さ方向の位置は、前記活性領域における前記第２電極の、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第１深さ方向の位置とほぼ等しいことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２半導体領域は、前記活性領域から前記終端構造部にわたって設けられており、前記活性領域における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さは、前記終端構造部における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さよりも浅いことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記活性領域における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さは１．５μｍ以上であることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記終端構造部が設けられたチップ外周側の厚さは８０μｍよりも大きいことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記終端構造部は、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた複数の第１導電型の第７半導体領域と、複数の前記第７半導体領域にそれぞれ電気的に接する複数のフィールドプレート領域と、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の、前記第７半導体領域よりもチップ外周側の表面層に前記第７半導体領域と離れて選択的に設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第８半導体領域と、前記第８半導体領域に接するフィールドプレートと、で構成されていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記フィールドプレート領域は、ポリシリコンでできていることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一方の面に接する第２導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第１導電型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域内に設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第５半導体領域と、前記第３半導体領域と前記第５半導体領域とに挟まれる第４半導体領域の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第４半導体領域と第５半導体領域とを短絡する第１電極と、前記第１半導体領域の他方の面に接する第２電極と、少なくとも前記第１半導体領域および第３半導体領域で構成され、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域と、前記活性領域よりもチップ外周側に設けられた終端構造部と、前記終端構造部に選択的に設けられ、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面から前記第１半導体領域側に向かう第１深さ方向の位置が前記第２電極の位置とほぼ等しい絶縁領域と、を備えることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられ、前記第４半導体領域の前記第１半導体領域側を覆う第２導電型の第６半導体領域をさらに備え、前記第３半導体領域、前記第６半導体領域、前記第４半導体領域および前記第５半導体領域の表面上に、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極が設けられていることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一方の面に接する第２導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第１導電型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域を貫通し前記第３半導体領域に達するトレンチと、前記トレンチの側壁および底面に沿って設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の内側に埋め込まれたゲート電極と、前記第４半導体領域内で前記トレンチ側壁の前記ゲート絶縁膜に接して設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第５半導体領域と、前記第４半導体領域と第５半導体領域とを短絡する第１電極と、前記第１半導体領域の他方の面に接する第２電極と、少なくとも前記第１半導体領域および第３半導体領域で構成され、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域と、前記活性領域よりもチップ外周側に設けられた終端構造部と、前記終端構造部に選択的に設けられ、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面から前記第１半導体領域側に向かう第１深さ方向の位置が前記第２電極の位置とほぼ等しい絶縁領域と、を備えることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１半導体領域および前記第２電極は、前記活性領域から前記終端構造部にわたって設けられており、前記絶縁領域の、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面から前記第１深さ方向の位置は、前記活性領域における前記第２電極の、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面から前記第１深さ方向の位置とほぼ等しいことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第３半導体領域内には、前記第１半導体領域の他方の面から前記第３半導体領域に向かう第２深さ方向に前記第１半導体領域よりも深く、かつ前記絶縁領域に重なるように設けられた第１導電型の第９半導体領域をさらに備えることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記終端構造部が設けられたチップ外周側の厚さは８０μｍよりも大きいことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記終端構造部は、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた複数の第１導電型の第７半導体領域と、複数の前記第７半導体領域にそれぞれ電気的に接する複数のフィールドプレート領域と、前記第３半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の、前記第７半導体領域よりもチップ外周側の表面層に前記第７半導体領域と離れて選択的に設けられ、前記第９半導体領域に接する第１導電型の第１０半導体領域と、前記第１０半導体領域に接するフィールドプレートと、で構成されていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記フィールドプレート領域は、ポリシリコンでできていることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴とする。まず、第１導電型の第１ウエハの主面上に絶縁領域を形成する工程を行う。次に、第２導電型の第２ウエハの主面の表面層に第２導電型半導体領域を形成する工程を行う。次に、前記第１ウエハの前記絶縁領域が形成された面と、前記第２ウエハの前記第２導電型半導体領域が形成された面とを貼り合わせる工程を行う。次に、貼り合せた前記第１ウエハと前記第２ウエハとを熱処理によって結合する工程を行う。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、第１導電型の第１ウエハの主面上に絶縁領域を形成する工程を行う。次に、第２導電型の第２ウエハの主面のチップ外周側の表面層に第１導電型半導体領域を形成する工程を行う。次に、前記第１ウエハの前記絶縁領域が形成された面と、前記第２ウエハの前記第１導電型半導体領域が形成された面とを貼り合わせる工程を行う。次に、貼り合せた前記第１ウエハと前記第２ウエハとを熱処理によって結合する工程を行う。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１ウエハに結合された前記第２ウエハの、前記第１ウエハ側に対して反対側の主面の前記活性領域に、おもて面素子構造を形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２ウエハに結合された前記第１ウエハの、前記おもて面素子構造に対応する部分を、湿式エッチングによって選択的に除去する工程をさらに含むことを特徴とする。
上述した発明によれば、活性領域におけるチップの厚さよりも厚い部分（以下、リブ部とする）を、ウエハに作り込まれた複数の素子が配置されているそれぞれのチップごとに、活性領域を囲むようにチップ外周に設けることができる。具体的には、例えば、リブ部は、ウエハのスクラブラインに沿って格子状に形成される。このため、活性領域におけるチップの厚さを所望の耐圧を実現するために設計上必要とされる厚さにまで薄くした場合であっても、チップ外周にそれぞれ設けられたリブ部によってウエハへの応力集中を緩和することができる。したがって、ウエハ外周にのみリブ部が形成された従来のウエハよりも、ウエハが割れにくくなる。
また、上述した発明によれば、活性領域におけるチップの厚さを所望の耐圧を実現するために設計上必要とされる厚さまで薄くすることができるので、素子の導通損失とスイッチング損失のトレードオフ関係を改善することができる。
また、上述した発明によれば、素子のおもて面素子構造などを形成するよりも前に第２半導体領域を形成することにより、第１ウエハと第２ウエハとを貼り合せたとき、および素子のおもて面素子構造などを形成するときに、第２半導体領域を熱拡散させることができる。このため、従来のようにウエハに素子を形成した後にウエハを薄くし、その後薄くしたウエハに第２半導体領域を形成する場合よりも、第２半導体領域の拡散深さを深くすることができる。このため、従来、第２半導体領域が薄いことに起因して発生していた漏れ電流を低減することができる。
また、上述した発明によれば、素子のおもて面素子構造などを形成するよりも前に第９半導体領域を形成することにより、逆耐圧を保持する構造を構成する第３半導体領域を貫通する第１導電型分離領域を形成するための熱拡散時間を短縮することができる。したがって、長時間で高温の熱拡散によって生じていた結晶欠陥を低減することができる。
また、上述した発明によれば、ウエハに作り込まれた複数の素子が配置されているそれぞれのチップごとチップ外周にリブ部を設けるため、ウエハをダイシングする前にウエハに対して行う電気特性試験において、活性領域に設けられた第１半導体領域や第２電極がウエハを載置する支持台に接触しない。これにより、第１半導体領域や第２電極が損傷することを防止することができる。したがって素子耐圧や漏れ電流特性の劣化を防止することができる。
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、機械強度を向上することができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、導通損失およびスイッチング損失を低減させることができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、良品率を向上させることができるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。 図２は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図３は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図４は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図５は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図６は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図７は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図８は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図９は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１０は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１１は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１２は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１３は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１４は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１５は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１６は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１７は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図１８は、実施の形態１にかかる半導体装置の不純物濃度分布を示す特性図である。 図１９は、実施の形態１にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。 図２０は、実施の形態１にかかる半導体装置をターンオフさせるシミュレーション回路を示す回路図である。 図２１は、実施の形態１にかかる半導体装置のサージ電圧とゲート抵抗との関係を示す特性図である。 図２２は、実施の形態１にかかる半導体装置のサージ電圧とゲート抵抗との関係を示す特性図である。 図２３は、実施の形態３にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。 図２４は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図２５は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図２６は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図２７は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図２８は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図２９は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図３０は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図３１は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。 図３２は、実施の形態３にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。 図３３は、実施の形態３にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。 図３４は、従来のＩＧＢＴの構成を示す断面図である。 図３５は、従来のＲＢ−ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。 図３６は、従来の半導体装置の製造途中の断面構造を示す断面図である。 図３７は、従来の半導体装置の製造途中の断面構造を示す断面図である。 図３８は、従来の半導体装置の製造途中の断面構造を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態１にかかる半導体装置は、プレーナ構造のフィールドストップ型絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＦＳ−ＩＧＢＴ）である。図１に示すように、実施の形態１にかかる半導体装置は、ｎ型（第２導電型）の半導体基板からなるｎ-ドリフト領域（第３半導体領域）２の一方の主面（以下、第１主面とする）側の電界を緩和し耐圧を保持する終端構造部２６と、半導体装置のオン時に電流が流れる活性領域２７と、を備える。
終端構造部２６は、活性領域２７よりも、ＦＳ−ＩＧＢＴが設けられたチップの外周側に設けられている。また、終端構造部２６は、活性領域２７に接し、活性領域２７を囲む。活性領域２７は、終端構造部２６が設けられたチップ外周側の厚さｔ２２よりも薄い厚さｔ２１を有するチップ内周側に設けられている。終端構造部２６は、チップの外周側のチップ内周側よりも厚い部分からチップ内周側の薄い部分にわたって設けられていてもよいし、チップの外周側のチップ内周側よりも厚い部分にのみ設けられていてもよい。
チップの外周側のチップ内周側よりも厚い部分は、終端構造部２６からチップ外周のダイシングラインにわたって設けられている。チップの外周側のチップ内周側よりも厚い部分の、ｎ-ドリフト領域２の一方の主面（第１主面）側から他方の主面（以下、第２主面とする）側に向かう方向（以下、第１深さ方向とする）に直交する方向の幅は、ダイシングラインの幅（１００μｍ程度）を含めて例えばチップ全体で３００μｍ程度である。チップ外周側の厚さは、例えば８０μｍよりも大きいことが好ましい。
ｎ-ドリフト領域２の第２主面には、活性領域２７から終端構造部２６にわたってｎフィールドストップ領域（第２半導体領域）４が設けられている。ｎ-ドリフト領域２の抵抗率は、ｎフィールドストップ領域４よりも高い。活性領域２７におけるｎフィールドストップ領域４の、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の深さは、終端構造部２６におけるｎフィールドストップ領域４の、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の深さよりも浅い。そして、活性領域２７におけるｎフィールドストップ領域４の第１深さ方向の深さは、例えば１．５μｍ以上である。
また、活性領域２７におけるｎフィールドストップ領域４の厚さｔ１１は、終端構造部２６におけるｎフィールドストップ領域４の厚さｔ１２よりも薄い。具体的には、ｎ-ドリフト領域２とｎフィールドストップ領域４との界面の、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の位置は、活性領域２７から終端構造部２６にわたって等しい。そして、ｎフィールドストップ領域４のｎ-ドリフト領域２側に対して反対側の面の、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の位置は、活性領域２７側よりも終端構造部２６側で深い位置となっている。
ｎフィールドストップ領域４のｎ-ドリフト領域２側に対して反対側の表面には、活性領域２７において、ｐコレクタ領域（第１半導体領域）１１が設けられている。コレクタ電極（第２電極）１２は、ｐコレクタ領域１１のｎフィールドストップ領域４側に対して反対側の面に接する。ｐコレクタ領域１１およびコレクタ電極１２は、活性領域２７から終端構造部２６にわたって設けられている。終端構造部２６において、ｎフィールドストップ領域４とｐコレクタ領域１１との間には、シリコン酸化膜（絶縁領域）３が設けられている。
シリコン酸化膜３は、ｎフィールドストップ領域４に接する。シリコン酸化膜３の、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の第１位置Ｌ１は、活性領域２７におけるコレクタ電極１２の、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の第２位置Ｌ２とほぼ等しい。また、シリコン酸化膜３とｐコレクタ領域１１との間には、一方の主面（以下、第１主面とする）がシリコン酸化膜３に接し、他方の主面（以下、第２主面とする）がｐコレクタ領域１１に接するｐ型（第１導電型）の半導体基板からなるｐ型領域１が設けられている。終端構造部２６側にｐ型領域１が設けられていることにより、上述したようにチップ外周側がチップ内周側よりも厚くなっている。
活性領域２７において、ｎ-ドリフト領域２の第１主面には、ｐベース領域（第４半導体領域）５、ｎ+エミッタ領域（第５半導体領域）６、ｐ+ベースコンタクト領域１０、ｎホールバリア領域（第６半導体領域）１３、ゲート絶縁膜７、ゲート電極８およびエミッタ電極（第１電極）９などからなるＦＳ−ＩＧＢＴのおもて面素子構造が設けられている。おもて面素子構造、ｎ-ドリフト領域２、ｎフィールドストップ領域４、ｐコレクタ領域１１およびコレクタ電極１２で活性領域２７の単位セルが構成される。
具体的には、ｎ-ドリフト領域２の第１主面の表面層には、ｐベース領域５およびｎホールバリア領域１３が選択的に設けられている。ｎホールバリア領域１３は、ｐベース領域５に接し、ｐベース領域５のｎフィールドストップ領域４側を覆う。ｐベース領域５の、ｎフィールドストップ領域４側に対して反対側（以下、第１主面側とする）の表面層には、ｎ+エミッタ領域６およびｐ+ベースコンタクト領域１０が選択的に設けられている。ｎ+エミッタ領域６の抵抗率は、ｎ-ドリフト領域２よりも低い。ｐ+ベースコンタクト領域１０は、ｎ+エミッタ領域６に接し、ｎ+エミッタ領域６のｎフィールドストップ領域４側を覆う。ｐ+ベースコンタクト領域１０の抵抗率は、ｐベース領域５よりも低い。
ｎ-ドリフト領域２とｎ+エミッタ領域６とに挟まれるｐベース領域５の表面（ｎ-ドリフト領域２のｎフィールドストップ領域４側に対して反対側の面）上には、ゲート絶縁膜７を介してゲート電極８が設けられている。具体的には、ｎ-ドリフト領域２、ｎホールバリア領域１３、ｐベース領域５およびｎ+エミッタ領域６にわたってこれらの表面上にゲート絶縁膜７が設けられ、このゲート絶縁膜７上にゲート電極８が設けられている。エミッタ電極９は、ｎ-ドリフト領域２の第１主面側でｐベース領域５およびｎ+エミッタ領域６に接し、ｐベース領域５とｎ+エミッタ領域６とを短絡する。エミッタ電極９は、層間絶縁膜１６によってゲート電極８と絶縁されている。
終端構造部２６において、ｎ-ドリフト領域２の第１主面には、ＦＳ−ＩＧＢＴの耐圧を保持する構造が設けられている。具体的には、ｎ-ドリフト領域２の第１主面の表面層には、フローティングの複数のｐ領域（フィールドリミッティングリング、第７半導体領域）１４が選択的に設けられている。また、ｎ-ドリフト領域２の第１主面上には、複数のフィールドプレート領域１７が設けられている。各フィールドプレート領域１７は、フィールドリミッティングリング１４の第１主面側の表面層に設けられた、フィールドリミッティングリング１４よりも抵抗率が低いｐ+型領域に電気的に接続されている。フィールドプレート領域１７は、ポリシリコンでできている。
また、ｎ-ドリフト領域２の第１主面の表面層には、フィールドプレート領域１７と離れてｎ+型領域（第８半導体領域）１５が設けられている。ｎ+型領域１５は、フィールドプレート領域１７よりもチップ外周側に設けられている。ｎ+型領域１５の抵抗率は、ｎ-ドリフト領域２よりも低い。フィールドプレート１８は、ｎ+型領域１５に接する。各フィールドプレート領域１７およびフィールドプレート１８は、それぞれ層間絶縁膜によって絶縁されている。このように、フィールドリミッティングリング１４、ｎ+型領域１５、フィールドプレート領域１７およびフィールドプレート１８で、ＦＳ−ＩＧＢＴの終端構造部２６が構成される。
次に、図１に示すＦＳ−ＩＧＢＴの製造方法について説明する。図２〜１７は、実施の形態１にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。まず、図２に示すように、例えばチョクラルスキー（ＣＺ：Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法で作られたｐ型半導体ウエハ（以下、ＣＺウエハとする、第１ウエハ）を用意する。このｐ型ＣＺウエハは、上述したｐ型領域１となるｐ型半導体基板である（以下、ｐ型ＣＺウエハ１とする）。次に、熱酸化法または堆積法によって、ｐ型ＣＺウエハ１の第１主面上にシリコン酸化膜３を形成する。シリコン酸化膜３の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
次に、図３に示すように、ｐ型ＣＺウエハ１とは別に、例えばＦＺ法で作られたｎ型ＦＺウエハ（第２ウエハ）を用意する。このｎ型ＦＺウエハは、上述したｎ-ドリフト領域２を構成するｎ型半導体基板である（以下、ｎ型ＦＺウエハ２とする）。ｎ型ＦＺウエハ２の抵抗率は、１３Ω・ｃｍ〜２０Ω・ｃｍであってもよい。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面上にスクリーン酸化膜３１を形成する。スクリーン酸化膜３１の厚さは、例えば３０ｎｍ程度であってもよい。
次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面に、スクリーン酸化膜３１を介して砒素（Ａｓ：Ａｒｓｅｎｉｃ）イオンまたはアンチモン（Ｓｂ）イオンなどのｎ型不純物イオンをイオン注入する。そして、図４に示すように、熱アニール処理によって、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面に、ｎフィールドストップ領域（第２導電型半導体領域）４を形成する。ｎフィールドストップ領域４を形成するためのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量１×１０12ｃｍ-2〜３×１０12ｃｍ-2とし、加速エネルギー１００ＫｅＶとしてもよい。
ｎフィールドストップ領域４を形成するための熱アニール処理は、例えば、窒素（Ｎ）雰囲気において、９００℃の温度で３０分間行ってもよい。ｎフィールドストップ領域４を形成するための熱アニール処理によって、ｎ型ＦＺウエハ２表面の表面モフォロジー（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）が悪化することを防止することができる。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面のスクリーン酸化膜３１を除去する。
次に、図５に示すように、ｐ型ＣＺウエハ１のシリコン酸化膜３が形成された第１主面と、ｎ型ＦＺウエハ２のｎフィールドストップ領域４が形成された第２主面とを貼り合わせる。このとき、ｎ型ＦＺウエハ２のｎフィールドストップ領域４上に形成された自然酸化膜を介してｐ型ＣＺウエハ１の第１主面とｎ型ＦＺウエハ２の第２主面とが弱い力で結合される。次に、ｎ型ＦＺウエハ２とｐ型ＣＺウエハ１とが貼り合されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハに対して熱アニール処理を行う。これにより、ｎ型ＦＺウエハ２とｐ型ＣＺウエハ１との結合が強化される。
ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とを結合させるための熱アニール処理によって、ｎフィールドストップ領域４が熱拡散される。これにより、ｎフィールドストップ領域４の拡散深さは、ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とを結合させるための熱アニール処理前よりも深くなる。ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とを結合させるための熱アニール処理は、例えば、窒素雰囲気またはアルゴン（Ａｒ）雰囲気において、１０００℃〜１２００℃の温度で２時間行ってもよい。
次に、図６に示すように、ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とが貼り合されたＳＯＩウエハの、ｎ型ＦＺウエハ２側の主面（以下、単にｎ型ＦＺウエハ２の第１主面とする）を所定の厚さｔ１になるまで研磨する。例えば、耐圧クラス４００ＶのＦＳ−ＩＧＢＴを作製する場合、ｎ型ＦＺウエハ２の厚さｔ１を４０μｍまで薄くする。これにより、ｐ型ＣＺウエハ１、シリコン酸化膜３およびｎ型ＦＺウエハ２が積層されてなるＳＯＩウエハが完成する。
次に、図７に示すように、活性領域において、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に、一般的な方法で、ｐベース領域５、ｎ+エミッタ領域６、ｐ+ベースコンタクト領域１０、ｎホールバリア領域１３、ゲート絶縁膜７、ゲート電極８およびエミッタ電極９などからなるＦＳ−ＩＧＢＴのおもて面素子構造２０を形成する。また、終端構造部において、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に、一般的な方法で、フィールドリミッティングリング１４、ｎ+型領域１５、フィールドプレート領域１７およびフィールドプレート１８などのＦＳ−ＩＧＢＴの耐圧を保持する構造を形成する。
ＦＳ−ＩＧＢＴのおもて面素子構造２０および耐圧を保持する構造を形成する際の熱処理により、ｎ型ＦＺウエハ２とｐ型ＣＺウエハ１との界面に形成されたｎフィールドストップ領域４は熱拡散され、ｎフィールドストップ領域４の拡散深さがさらに深くなる。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の、おもて面素子構造２０などが形成された第１主面全面に、ポリイミド膜または窒化膜からなるパッシベーション膜（不図示）を形成する。そして、おもて面素子構造２０の電極領域が露出されるようにパッシベーション膜をエッチングし、電極パッド領域を形成する。
次に、図８に示すように、おもて面素子構造２０などが形成されたｎ型ＦＺウエハ２の第１主面全面に保護レジスト３２を塗布する。次に、保護レジスト３２を改質し硬化させた後、保護レジスト３２にバックグラインドテープ（ＢＧテープ）３３を貼り付ける。この時点で、図９に示すように、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の、チップ状に切断されたときに個々のチップとなる各素子形成領域にそれぞれおもて面素子構造２０などが形成された状態で、ＳＯＩウエハのｎ型ＦＺウエハ２側が保護レジスト３２を介してＢＧテープ３３に貼り付けられる。
次に、図１０に示すように、ＳＯＩウエハの厚さｔ２が８０μｍより大きくなるように例えば１００μｍの厚さとなるまで、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の主面（以下、単にｐ型ＣＺウエハ１の第２主面とする）を研磨する。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面からＢＧテープ３３を剥離し、ＳＯＩウエハを洗浄する。つぎに、ｐ型ＣＺウエハ１の第１主面をエッチングし、ｐ型ＣＺウエハ１の厚さを例えば５μｍ〜２０μｍ程度薄くする。
次に、ｐ型ＣＺウエハ１の第１主面上に、ｐ型ＣＺウエハ１の活性領域側が露出する開口部を有するレジストマスク３４を形成する。これにより、図１１に示すように、レジストマスク３４の開口部には、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に形成された各おもて面素子構造２０に対して反対側のｐ型ＣＺウエハ１の第２主面が露出される。次に、図１２に示すように、レジストマスク３４をマスクとして湿式の異方性エッチングを行い、ｐ型ＣＺウエハ１の第２主面からシリコン酸化膜３に達する溝３５を形成する。すなわち、シリコン酸化膜３は、エッチングストッパーとして機能する。
この溝３５を形成するための異方性エッチングによって、ｐ型ＣＺウエハ１には、第２主面側が第１主面側よりも広い台形状の断面形状を有する溝３５が複数形成される。ｐ型ＣＺウエハ１に溝３５を形成することによって、ＦＳ−ＩＧＢＴ完成後の活性領域におけるチップの厚さが終端構造部におけるチップの厚さよりも薄くなる。溝３５を形成するためのエッチングに用いる溶液は、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)溶液を主成分としてもよい。そして、溝３５の形成に用いたレジストマスク３４を除去する。
次に、図１３に示すように、湿式エッチングによって、溝３５の底面に露出するシリコン酸化膜３を除去する。この時点で、図１４に示すように、各溝３５の底面には、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に形成された各おもて面素子構造２０に対して反対側のｎ型ＦＺウエハ２の第２主面がそれぞれ露出される。また、図１５に示すように、溝３５の底面に露出するシリコン酸化膜３が除去されることにより、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の第１位置Ｌ１で、活性領域２７にシリコン酸化膜３が配置される。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面を覆う保護レジスト３２を除去し、ＳＯＩウエハを洗浄する。
次に、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の全面、すなわち、ｐ型ＣＺウエハ１の第２主面、溝３５の側壁に露出するｐ型ＣＺウエハ１の表面、および溝３５の底面に露出するｎ型ＦＺウエハ２の第２主面に、硼素（Ｂ：ｂｏｒｏｎ）イオンをイオン注入する。次に、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の全面にレーザーアニール処理を行い、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の全面に注入された硼素を活性化させる。これにより、図１６に示すように、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の全面に、ｐコレクタ領域１１が形成される。
また、溝３５の底面に露出するｎ型ＦＺウエハ２の第２主面にｐコレクタ領域１１が形成されるため、活性領域２７におけるｎフィールドストップ領域４の厚さｔ１１が、終端構造部２６におけるｎフィールドストップ領域４の厚さｔ１２よりも薄くなる。ｐコレクタ領域１１を形成するためのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量５×１０12ｃｍ-2〜１．５×１０13ｃｍ-2とし、加速エネルギー３０ＫｅＶ〜６０ＫｅＶとしてもよい。ｐコレクタ領域１１を形成するためのレーザーアニール処理は、例えば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザーでエネルギー密度１．０Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2で行ってもよい。
次に、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の全面に、コレクタ電極１２となる金属電極材料を堆積する。これにより、ｎ-ドリフト領域２の第１主面から第１深さ方向の第２位置Ｌ２で、活性領域２７におけるコレクタ電極１２が配置される。次に、ＳＯＩウエハのｐ型ＣＺウエハ１側の全面に堆積した金属電極材料を熱アニールし、ｐコレクタ領域１１の全面にコレクタ電極１２を形成する。コレクタ電極１２を形成するための熱アニール処理は、例えば、不活性雰囲気において、１８０℃〜３３０℃としてもよい。これにより、図１７に示すように、ＳＯＩウエハに、図１に示すＦＳ−ＩＧＢＴが複数形成される。その後、ＳＯＩウエハをダイシングライン３６に沿ってダイシングし、個々のチップに切断し個片化する。これにより、図１に示すＦＳ−ＩＧＢＴが完成する。
次に、図１に示すＦＳ−ＩＧＢＴの電気特性について説明する。まず、ｐコレクタ領域１１の不純物濃度分布について説明する。図１８は、実施の形態１にかかる半導体装置の不純物濃度分布を示す特性図である。図１８には、次の条件でｎフィールドストップ領域４およびｐコレクタ領域１１を形成した場合のｐコレクタ領域１１近傍の不純物濃度分布を示す。ｎフィールドストップ領域４を形成するためのイオン注入のドーパントをアンチモン（Ｓｂ：Ａｎｔｉｍｏｎｙ）とし、そのドーズ量を３×１０12ｃｍ-2とした。ｐコレクタ領域１１を形成するためのイオン注入のドーパントを硼素とし、そのドーズ量を１×１０13ｃｍ-2とし、加速エネルギーを４５ＫｅＶとした。
ｐコレクタ領域１１を形成するためのレーザーアニール処理は、エネルギー密度１．４Ｊ／ｃｍ2で行った。そして、ｐコレクタ領域１１近傍の不純物濃度を測定した。図１８では、コレクタ電極１２とｐコレクタ領域１１との界面を深さ＝０（横軸）としている。図１８に示すアンチモンの濃度分布はシミュレーション結果である。図１８に示す硼素（Ｂｏｒｏｎ）の濃度分布は、Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ法による測定結果である。ネットドーピング（ＮｅｔＤｏｐｉｎｇ）の濃度分布は、ｎ-ドリフト領域２の抵抗率が１７Ω・ｃｍであるときの正味のドーピング濃度である。図１８に示す結果より、アンチモンからなる材料で形成されたｎフィールドストップ領域４の深さは約３．８μｍに達し、その活性化率はほぼ１００％に近いことが確認された。
一方、戸倉規仁らは「四半世紀にわたるＩＧＢＴ開発の軌跡（１９８４年〜２００９年）（Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅｓ Ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｎ ＩＧＢＴ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｖｅｒ ｔｈｅ Ｌａｓｔ ２５ Ｙｅａｒｓ（１９８４年〜２００９年））（第図８）」、ＩＥＥＥＪ トランザクション オン エーアイ（ＩＥＥＪ トランザクション オン エーアイ（ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ ＡＩ）、第１３１巻、第１号、２０１１年、ｐ．１〜８の中で、薄く加工されたウエハにリン（Ｐ）イオンのイオン注入で形成した従来のｎフィールドストップ領域は、イオン注入の加速エネルギーを６２０ＫｅＶにしたとしても、飛程が０．８μｍであることについて報告している。また、ｎフィールドストップ領域の表面にｐコレクタ領域を介して形成されるコレクタ電極の熱アニール処理の加熱温度を、コレクタ電極の許容限界温度である４５０℃としたとしても、ｎフィールドストップ領域の活性化率が２０％程度にすぎないことを報告している。
また、Ｔｈｏｍａｓ Ｇｕｔｔらは「ディープ メルト アクティヴェイション ユージング レーザー サーマル アニーリング フォア ＩＧＢＴ スィン ウェハ テクノロジー（Ｄｅｅｐ ｍｅｌｔ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｏｒ ＩＧＢＴ ｔｈｉｎ ｗａｆｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）（第５図）」、プロシーディング オブ ザ ２２ｒｄ インターナショナル シンポジウム オン パワー セミコンダクター デバイス ＆ ＩＣ’ｓ，２０１１（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｔｈｅ ２２ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣ’ｓ，２０１１）、２０１１、ｐ．２９〜３２の中で、レーザー波長λ＝３０６ｎｍで、エネルギー密度３．７Ｊ／ｃｍ2にしたとしても、シリコンの溶融深さ２５０ｎｍ以下であることを報告している。リンの活性化率は、その溶融深さよりも深い部分で急激に低下する。したがって、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法は、おもて面素子構造を形成した後にｎフィールドストップ領域を形成する従来技術に比べて、拡散深さが深いｎフィールドストップ領域を形成することができる。
次に、実施の形態１にかかるＦＳ−ＩＧＢＴの耐圧とｎ-ドリフト領域２の抵抗率について説明する。図１９は、実施の形態１にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。図１９には、活性領域のハーフピッチ（活性領域２７と終端構造部２６との界面から該界面に対して反対側の活性領域２７端部までの距離）が１５μｍであり、ｎホールバリア領域１３を形成するためのイオン注入のドーズ量が２×１０12ｃｍ-2であるときの素子耐圧とｎ-ドリフト領域２の抵抗率とを示す。シリコン酸化膜３から素子おもて面（ｎ型ＦＺウエハの第１主面）までの距離ＴSUBを３７μｍとする。そして、温度範囲の下限−４０℃まで耐圧を保証し、シリコン酸化膜３から素子おもて面までの距離ＴSUBのバラツキの範囲が−３μｍ〜＋３μｍの範囲であり、ｎ-ドリフト領域２の抵抗率のばらつきが−８％〜＋８％の範囲である場合、ｎ-ドリフト領域２の平均厚さ＝４０μｍ、ｎ-ドリフト領域２の平均抵抗率がρ＝１７Ω・ｃｍになることが確認された。
ｎ-ドリフト領域２となるｎ型ＦＺウエハの厚さが薄くなるほど、導通状態でｎ-ドリフト領域２における蓄積電荷が少なくなる。このため、素子をターンオフさせる際にｄｉ／ｄｔが大きくなり、回路の寄生インダクタンスでコレクタ−エミッタ間の跳ね上がり電圧が高くなる。したがって、この電圧ピークの素子を降伏電圧以下にする必要がある。次に、素子をターンオフさせる際のサージ電圧とゲート抵抗について説明する。
図２０は、実施の形態１にかかる半導体装置をターンオフさせるシミュレーション回路を示す回路図である。また、図２１は、実施の形態１にかかる半導体装置のサージ電圧とゲート抵抗との関係を示す特性図である。サージ電圧とは、跳ね上がり電圧とバス電圧の差である。図２０に示すように、シミュレーション回路には、実施の形態１にかかる半導体装置としてＩＧＢＴ４１が接続されている。ターンオフ特性の測定時の条件は、バス電圧ＶBUS＝２００Ｖ、ピーク電流Ｉｐｋ＝２５Ａ、寄生インダクタンスＬｓ＝８０ｎＨ、接合温度Ｔｊ＝１５０℃、シリコン酸化膜３から素子おもて面までの距離ＴSUB＝４０μｍ、ｎ-ドリフト領域２の抵抗率がρ＝１７Ω・ｃｍである。
図１９に示すようにｎ-ドリフト領域２の抵抗率の範囲の下限、シリコン酸化膜３から素子おもて面までの距離ＴSUBの範囲の下限、接合温度Ｔｊ＝１５０℃での耐圧値が約５２０Ｖあること、定格以上の電流をターンオフする際のダイナミック降伏電圧がスタティック降伏電圧よりも低いことを考慮した場合、図１に示すプレーナ構造のＩＧＢＴは、活性領域２７の定格電流密度を２７０Ａ／ｃｍ2以下、一般的にポリシリコンで構成されるゲート抵抗Ｒｇを４０Ω以上とすることが望ましい。また、回路の寄生インダクタンスの低減が基板厚さの大きい耐圧クラスの素子よりも必要になる。
次に、定格電流密度とターンオフ損失Ｅｏｆｆおよびオン電圧Ｖｏｎとの関係について説明する。図２２は、実施の形態１にかかる半導体装置のサージ電圧とゲート抵抗との関係を示す特性図である。ターンオフ特性の測定時の条件は、接合温度Ｔｊ＝１５０℃、シリコン酸化膜３から素子おもて面までの距離ＴSUB＝４０μｍ、ｎ-ドリフト領域２の抵抗率ρ＝１７Ω・ｃｍ、定格電流＝１５０Ａである。図２２に示す結果より、定格電流密度が１７５Ａ／ｃｍ2〜２７５Ａ／ｃｍ2の範囲でターンオフ損失Ｅｏｆｆが２２μＪ／Ａ／Ｐｕｌｓｅ以下、オン電圧Ｖｏｎが２．１Ｖ以下の低い値が得られることが確認された。
以上、説明したように、実施の形態１にかかる半導体装置によれば、終端構造部２６におけるチップの厚さｔ２２を、活性領域２７におけるチップの厚さｔ２１よりも厚くする。これにより、活性領域２７におけるチップの厚さｔ２１よりも厚い部分（以下、リブ部とする）を、ウエハに作り込まれた複数の素子が配置されているそれぞれのチップごとに、活性領域２７を囲むようにチップ外周に設けることができる。具体的には、例えば、リブ部は、ウエハのスクラブラインに沿って格子状に形成される。リブ部のチップ外周からチップ内周側までの幅は、終端構造部およびスクラブラインの幅を含めてチップ全体で例えば３００μｍほどとなる。また、リブ部の厚みは、例えばウエハを薄くする際のウエハの厚さの限界値（限界厚さ）である例えば８０μｍ以上とすることができる。このため、活性領域２７におけるチップの厚さを所望の耐圧を実現するために設計上必要とされる厚さにまで薄くした場合であっても、チップ外周にそれぞれ設けられたリブ部によってウエハへの応力集中を緩和することができる。したがって、ウエハ外周にのみリブ部が形成された従来のウエハよりも、ウエハが割れにくくなる。このため、ウエハの機械強度を向上することができる。
また、上述した発明によれば、活性領域２７におけるチップの厚さを所望の耐圧を実現するために設計上必要とされる厚さまで薄くすることができるので、素子の導通損失とスイッチング損失のトレードオフ関係を改善することができる。これにより、導通損失およびスイッチング損失を低減させることができる。
また、上述した発明によれば、素子のおもて面素子構造２０などを形成するよりも前にｎフィールドストップ領域４を形成することにより、ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とを貼り合せたとき、および素子のおもて面素子構造２０などを形成するときに、ｎフィールドストップ領域４を熱拡散させることができる。このため、従来のようにウエハにおもて面素子構造２０を形成した後にウエハを薄くし、その後薄くしたウエハにｎフィールドストップ領域４を形成する場合よりも、ｎフィールドストップ領域４の拡散深さを深くすることができる。このため、従来、ｎフィールドストップ領域４が薄いことに起因して発生していた漏れ電流を低減することができる。導通損失およびスイッチング損失を低減させることができる。
また、上述した発明によれば、ウエハに作り込まれた複数の素子が配置されているそれぞれのチップごとチップ外周にリブ部を設けるため、ウエハをダイシングする前にウエハに対して行う電気特性試験において、活性領域２７に設けられたｐコレクタ領域１１やコレクタ電極１２がウエハを載置する支持台に接触しない。このため、ｐコレクタ領域１１やコレクタ電極１２が損傷することを防止することができる。これにより、素子耐圧や漏れ電流特性の劣化を防止することができる。したがって、素子の良品率を向上させることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２にかかる半導体装置について説明する。実施の形態２にかかる半導体装置が実施の形態１と異なるのは、ＩＧＢＴの構成をトレンチ構造のおもて面素子構造を備えるＩＧＢＴとする点である。
実施の形態２にかかる半導体装置は、活性領域において、ｎ-ドリフト領域２の第１主面の表面層に、ｐベース領域が選択的に設けられている。ｐベース領域の第１主面側の表面からｐベース領域を貫通しｎ-ドリフト領域に達するトレンチが設けられている。トレンチの側壁および底面に沿ってゲート絶縁膜が設けられている。ゲート絶縁膜の内側には、ゲート電極が埋め込まれている。ｐベース領域内には、ｎ+エミッタ領域が選択的に設けられている。ｎ+エミッタ領域は、トレンチ側壁のゲート絶縁膜に接して設けられている。
実施の形態２にかかる半導体装置の、おもて面素子構造をゲート構造とした点を除く他の構成は、実施の形態１にかかる半導体装置と同様である。また、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態１にかかる半導体装置において、表面素子構造を形成する際に一般的な方法でゲート構造を形成する。実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法の、ゲート構造のおもて面素子構造を形成する工程以外の工程は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法と同様である。
以上、説明したように、実施の形態２にかかる半導体装置によれば、実施の形態１にかかる半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、表面素子構造をゲート構造とすることで、さらに、ターンオフ損失Ｅｏｆｆとオン電圧Ｖｏｎとを低くすることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３にかかる半導体装置について説明する。図２３は、実施の形態３にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態３にかかる半導体装置が実施の形態１と異なるのは、逆耐圧を保持する構造を備えている点である。
実施の形態３にかかる半導体装置は、逆阻止型ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ）である。図２３に示すように、実施の形態３にかかる半導体装置は、活性領域２７において、ｎ-ドリフト領域２の第２主面に、ｐコレクタ領域１１が設けられている。ｎ-ドリフト領域２とｐコレクタ領域１１との間に、ｎフィールドストップ領域４は設けられていない。
終端構造部２６において、ｎ-ドリフト領域２の第２主面の表面層には、ｐコレクタ領域１１からｎ-ドリフト領域２に向かう方向（以下、第２深さ方向とする）にｐコレクタ領域１１よりも深く、かつシリコン酸化膜３に重なるようにｐ+第１拡散分離層（第９半導体領域）２４Ａが設けられている。ｐ+第１拡散分離層２４Ａは、シリコン酸化膜３のｎ-ドリフト領域２側の面の全面に接する。
また、終端構造部２６において、ｎ-ドリフト領域２の第１主面の表面層には、フィールドプレート領域１７と離れて、かつｐ+第１拡散分離層２４Ａに接するようにｐ+第２拡散分離層（第１０半導体領域）２４Ｂが設けられている。ｐ+第２拡散分離層２４Ｂは、フィールドプレート領域１７よりもチップ外周側に設けられている。フィールドプレート１８は、ｐ+第２拡散分離層２４Ｂに接する。ｐ+第１拡散分離層２４Ａおよびｐ+第２拡散分離層２４Ｂを設けることで、逆耐圧を得ることができる。実施の形態３にかかる半導体装置の、ｐ+第１拡散分離層２４Ａおよびｐ+第２拡散分離層２４Ｂを除く他の構成は、実施の形態１にかかる半導体装置と同様である。
次に、図２３に示すＲＢ−ＩＧＢＴの製造方法について説明する。図２４〜３１は、実施の形態３にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。まず、図２４に示すように、実施の形態１と同様に、ｐ型領域１となる例えばｐ型ＣＺウエハ（以下、ｐ型ＣＺウエハ１とする）の第１主面上にシリコン酸化膜３−１を形成する。シリコン酸化膜３−１の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。次に、図２５に示すように、実施の形態１と同様に、ｐ型ＣＺウエハ１とは別に、例えばｎ型ＦＺウエハを用意する（以下、ｎ型ＦＺウエハ２とする）。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面上にスクリーン酸化膜３−２を形成する。スクリーン酸化膜３−２の厚さは、例えば３０ｎｍ程度であってもよい。
次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面に、ｐ+第１拡散分離層（第１導電型半導体領域）２４Ａの形成領域が開口するレジストマスク４１を形成する。次に、レジストマスク４１をマスクとして、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面に、硼素イオンなどのｐ型不純物イオンをイオン注入する。このｐ+第１拡散分離層２４Ａを形成するためのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量５×１０14ｃｍ-2〜５×１０15ｃｍ-2とし、加速エネルギー３０ＫｅＶ〜１００ＫｅＶとしてもよい。次に、レジストマスク４１をマスクとしてエッチングを行い、レジストマスク４１の開口部に露出するスクリーン酸化膜３−２を除去する。
次に、レジストマスク４１を除去した後、ｎ型ＦＺウエハ２を洗浄する。そして、熱アニール処理によってｐ+第１拡散分離層２４Ａを形成した後、ｎ型ＦＺウエハ２を洗浄する。ｐ+第１拡散分離層２４Ａを形成するための熱アニール処理は、例えば、窒素（Ｎ）雰囲気において、９００℃の温度で３０分間行ってもよい。次に、図２７に示すように、実施の形態１と同様に、ｐ型ＣＺウエハ１のシリコン酸化膜３−１が形成された第１主面と、ｎ型ＦＺウエハ２のスクリーン酸化膜３−２が形成された第２主面とを貼り合わせる。これにより、ｐ型ＣＺウエハ１のシリコン酸化膜３−１が除去された部分に、マーク領域２５が形成される。
次に、実施の形態１と同様に、ｎ型ＦＺウエハ２とｐ型ＣＺウエハ１とが貼り合されたＳＯＩウエハに対して熱アニール処理を行う。これにより、ｎ型ＦＺウエハ２とｐ型ＣＺウエハ１との結合が強化される。また、ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とを結合させるための熱アニール処理によって、ｐ+第１拡散分離層２４Ａが熱拡散される。次に、図２８に示すように、ｐ型ＣＺウエハ１とｎ型ＦＺウエハ２とが貼り合されたＳＯＩウエハの、ｎ型ＦＺウエハ２側の主面（ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面）を所定の厚さｔ３になるまで研磨する。ｎ型ＦＺウエハ２の厚さｔ３は、例えば６８μｍであってもよい。これにより、ｐ型ＣＺウエハ１、シリコン酸化膜３およびｎ型ＦＺウエハ２が積層されてなるＳＯＩウエハが完成する。
次に、図２９に示すように、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に、熱酸化膜４２を形成する。熱酸化膜４２の厚さは、例えば、６００ｎｍ〜１０００ｎｍであってもよい。次に、フォトリソグラフィによって、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の、ｐ+第１拡散分離層２４Ａに対応する部分が開口するレジストマスク（不図示）を形成する。ｐ+第１拡散分離層２４Ａに対応する部分とは、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面のｐ+第１拡散分離層２４Ａが設けられた部分に対して反対側である。このレジストマスクを形成する際に、マーク領域２５が位置合わせマークとして機能する。
次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に形成されたレジストマスクをマスクとして、熱酸化膜４２を選択的に除去した後、ＳＯＩウエハを洗浄する。次に、熱酸化処理を行い、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面にスクリーン酸化膜４３を形成する。これにより、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の、熱酸化膜４２が設けられていない部分に、スクリーン酸化膜４３が形成される。スクリーン酸化膜４３の厚さは、例えば３０ｎｍ程度である。次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に形成されたレジストマスクを除去する。
次に、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に、ｐ+第２拡散分離層２４Ｂを形成するために、スクリーン酸化膜４３を介して硼素イオンをイオン注入する。このとき、熱酸化膜４２の厚さは不純物イオンがイオン注入されない程度に厚いため、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の熱酸化膜４２が形成された部分には硼素イオンはイオン注入されない。ｐ+第２拡散分離層２４Ｂを形成するためのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量５×１０14ｃｍ-2〜５×１０15ｃｍ-2とし、加速エネルギー３０ＫｅＶ〜６０ＫｅＶとしてもよい。そして、ＳＯＩウエハを洗浄する。
次に、熱アニール処理によって、ｎ型ＦＺウエハ２の第２主面の表面層に形成されたｐ+第１拡散分離層２４Ａと、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の表面層に形成されたｐ+第２拡散分離層２４Ｂとを熱拡散して連結させる。ｐ+第１拡散分離層２４Ａおよびｐ+第２拡散分離層２４Ｂを連結させるための熱アニール処理は、例えば、窒素（Ｎ）雰囲気またはアルゴン雰囲気において、１３００℃の温度で１４時間〜２０時間行ってもよい。これにより、図３０に示すように、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面の、ｐ+第１拡散分離層２４Ａに対応する位置に、ｐ+第１拡散分離層２４Ａに接するｐ+第２拡散分離層２４Ｂが形成される。そして、熱酸化膜４２およびスクリーン酸化膜４３をすべて除去する。
次に、図３１に示すように、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に、ＲＢ−ＩＧＢＴのおもて面素子構造、ＲＢ−ＩＧＢＴの耐圧を保持する構造、およびＲＢ−ＩＧＢＴの逆耐圧を保持する構造を形成する。次に、実施の形態１と同様に、ｎ型ＦＺウエハ２の、おもて面素子構造などが形成された第１主面全面に、ポリイミド膜または窒化膜からなるパッシベーション膜（不図示）を形成する。そして、おもて面素子構造の電極領域が露出されるようにパッシベーション膜をエッチングし、電極パッド領域を形成する。おもて面素子構造を形成した後、必要に応じて、ライフタイムを調整するための軽イオン照射および熱アニールを実施する。
その後、おもて面素子構造などが形成されたｎ型ＦＺウエハ２の第１主面全面を保護レジストで保護し、ｎ型ＦＺウエハ２の第１主面に保護レジストを介してＢＧテープを貼り付ける。そして、実施の形態１と同様に、以降の処理を行い、ｐ型ＣＺウエハの第２主面に、活性領域の厚さを終端構造部より薄くするための溝、ｐコレクタ領域１１およびコレクタ電極１２を形成した後、個々のチップに切断し個片化することで、図２３に示すＲＢ−ＩＧＢＴが完成する。
次に、図２３に示すＲＢ−ＩＧＢＴの電気特性について説明する。図３２，３３は、実施の形態３にかかる半導体装置の耐圧特性を示す特性図である。ＲＢ−ＩＧＢＴの高温下での使用時における逆漏れ電流を抑制するために、保証される逆バイアス電圧ＶＥＣＳの印加時にｎ-ドリフト領域２に広がる空乏層領域の境界面２８からｐベース領域５またはフィールドリミッティングリング１４までの第２深さ方向の距離ｄを、ｎ-ドリフト領域２における少数キャリア拡散長よりも大きくする必要がある（図３１参照）。保証される逆バイアス電圧ＶＥＣＳは、耐圧クラス４００Ｖの素子の場合は４００Ｖである。
このため、ｐベース領域５やフィールドリミッティングリング１４からなるｐエミッタ、ｎ-ドリフト領域２の空乏化されていない部分からなるｎベース、およびｐコレクタ領域１１、ｐ+第１拡散分離層２４Ａおよびｐ+第２拡散分離層２４Ｂからなるｐコレクタで構成されるｐｎｐバイポーラトランジスタのベース幅を所定の幅で確保して電流増幅係数を小さくする。そして、空乏層領域内でのキャリアの発生またはキャリアの再結合から生成される電子電流を再結合するために生成されるベース電流を過度に増幅させないようにすればよい。
実施の形態３にかかる半導体装置において、ｎ-ドリフト領域２となるｎ型半導体基板の厚さＴSUB＝６５μｍとし、ｐコレクタ領域１１の不純物濃度分布を図１８に示す不純物濃度分布とし、上記距離ｄを１０μｍとする。また、そして、電子線照射を４０ＫＧｒｙ、５．４ＭｅＶで行い、水素雰囲気において３３０℃〜３５０℃の温度で４０分〜８０分のアニール処理を行う。この場合の、実施の形態３にかかる半導体装置の順方向耐圧ＢＶＣＥＳとｎ-ドリフト領域２の抵抗率との関係を図３２に示す。また、実施の形態３にかかる半導体装置の逆方向耐圧ＢＶＣＥＳとｎ-ドリフト領域２の抵抗率との関係を図３３に示す。
ｎ-ドリフト領域２の抵抗率のばらつきを−８％〜＋８％の範囲で、ｎ-ドリフト領域２の厚さのばらつきを−３％〜＋３％の範囲で、素子耐圧を−４０℃〜１５０℃の温度範囲で保証する場合、ｎ-ドリフト領域２となるｎ型半導体基板の平均抵抗率を１７Ω・ｃｍ、ｎ-ドリフト領域２となるｎ型半導体基板の平均厚さを６８μｍとすることで、所望の耐圧クラス、例えば耐圧クラス４００ＶのＲＢ−ＩＧＢＴにおいて高耐圧を実現することができる。素子耐圧を保証する−４０℃〜１５０℃の温度範囲は、例えば、電気自動車に用いる場合に実施の形態３にかかる半導体装置の電気特性を保証すべき温度範囲である。
以上、説明したように、実施の形態３にかかる半導体装置によれば、逆耐圧を保持する構成を備えるＲＢ−ＩＧＢＴにおいて、実施の形態１にかかる半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態３にかかる半導体装置によれば、素子のおもて面素子構造２０などを形成するよりも前にｐ+第１拡散分離層２４Ａを形成することにより、逆耐圧を保持する構造を構成するｎ-ドリフト領域２を貫通するｐ型分離領域を形成するための熱拡散時間を短縮することができる。これにより、長時間で高温の熱拡散によって生じていた結晶欠陥を低減することができる。
（実施の形態４）
実施の形態４にかかる半導体装置について説明する。実施の形態４にかかる半導体装置が実施の形態３と異なるのは、トレンチ構造のおもて面素子構造を備えるＩＧＢＴを構成する点である。
実施の形態４にかかる半導体装置の、活性領域におけるおもて面素子構造は、実施の形態２にかかる半導体装置の、活性領域におけるおもて面素子構造と同様である。実施の形態４にかかる半導体装置の、おもて面素子構造以外の構成は、実施の形態３にかかる半導体装置と同様である。
実施の形態４にかかる半導体装置の、活性領域におけるおもて面素子構造を形成する工程は、実施の形態２にかかる半導体装置の、活性領域におけるおもて面素子構造を形成する工程と同様である。実施の形態４にかかる半導体装置の、活性領域におけるおもて面素子構造を形成する工程以外の工程は、実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法と同様である。
以上、説明したように、実施の形態４にかかる半導体装置によれば、実施の形態１〜３にかかる半導体装置と同様の効果を得ることができる。
以上において本発明では、上述した実施の形態に限らず、ｎ-ドリフト領域となる薄いウエハを用いて素子構造を形成する半導体装置に適用することが可能である。また、各実施の形態では第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としたが、本発明は第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としても同様に成り立つ。
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、薄板化したウエハに形成される低耐圧の半導体装置に有効である。具体的には、例えば、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、ＰＤＰやストロボ等のパルス電源に用いる耐圧クラス６００Ｖ以下の低耐圧の半導体装置、また、ＡＣ入力電圧が２００Ｖの産業用パワーコンバータを高効率化するのに有用である。さらに、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電気自動車におけるモータを駆動するインバータを高効率化するのに有用である。
１ ｐ型領域（ｐ型ＣＺウエハ）
２ ｎ-ドリフト領域（ｎ型ＦＺウエハ）
３ シリコン酸化膜
４ ｎフィールドストップ領域
５ ｐベース領域
６ ｎ+エミッタ領域
７ ゲート絶縁膜
８ ゲート電極
９ エミッタ電極
１０ ｐ+ベースコンタクト領域
１１ ｐコレクタ領域
１２ コレクタ電極
１３ ｎホールバリア領域
１４ フィールドリミッティングリング
１５ ｎ+型領域
１６ 層間絶縁膜
１７ フィールドプレート領域
１８ フィールドプレート
２６ 終端構造部
２７ 活性領域
ｔ１１ 活性領域におけるｎフィールドストップ領域の厚さ
ｔ１２ 終端構造部におけるｎフィールドストップ領域の厚さ

Claims (10)

  1. 第１導電型の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域の一方の面に接する第２導電型の第２半導体領域と、
    前記第２半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面に接し、前記第２半導体領域よりも抵抗率の高い第２導電型の第３半導体領域と、
    前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第１導電型の第４半導体領域と、
    前記第４半導体領域内に設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第５半導体領域と、
    前記第３半導体領域と前記第５半導体領域とに挟まれる第４半導体領域の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    前記第４半導体領域と第５半導体領域とを短絡する第１電極と、
    前記第１半導体領域の他方の面に接する第２電極と、
    少なくとも前記第１半導体領域、第２半導体領域および第３半導体領域で構成され、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域と、
    前記活性領域よりもチップ外周側に設けられた終端構造部と、
    前記終端構造部に選択的に設けられ、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第２半導体領域側に向かう第１深さ方向の位置が前記第２電極の位置とほぼ等しい絶縁領域と、
    を備え、
    前記第２半導体領域は、前記活性領域から前記終端構造部にわたって設けられており、
    前記活性領域における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さは、前記終端構造部における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さよりも浅いことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられ、前記第４半導体領域の前記第２半導体領域側を覆う第２導電型の第６半導体領域をさらに備え、
    前記第３半導体領域、前記第６半導体領域、前記第４半導体領域および前記第５半導体領域の表面上に、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 第１導電型の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域の一方の面に接する第２導電型の第２半導体領域と、
    前記第２半導体領域の前記第１半導体領域側に対して反対側の面に接し、前記第２半導体領域よりも抵抗率の高い第２導電型の第３半導体領域と、
    前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第１導電型の第４半導体領域と、
    前記第４半導体領域を貫通し前記第３半導体領域に達するトレンチと、
    前記トレンチの側壁および底面に沿って設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜の内側に埋め込まれたゲート電極と、
    前記第４半導体領域内で前記トレンチ側壁の前記ゲート絶縁膜に接して設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第５半導体領域と、
    前記第４半導体領域と第５半導体領域とを短絡する第１電極と、
    前記第１半導体領域の他方の面に接する第２電極と、
    少なくとも前記第１半導体領域、第２半導体領域および第３半導体領域で構成され、チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域と、
    前記活性領域よりもチップ外周側に設けられた終端構造部と、
    前記終端構造部に選択的に設けられ、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第２半導体領域側に向かう第１深さ方向の位置が前記第２電極の位置とほぼ等しい絶縁領域と、
    を備え、
    前記第２半導体領域は、前記活性領域から前記終端構造部にわたって設けられており、
    前記活性領域における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さは、前記終端構造部における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さよりも浅いことを特徴とする半導体装置。
  4. 前記第１半導体領域および前記第２電極は、前記活性領域から前記終端構造部にわたって設けられており、
    前記絶縁領域の、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第１深さ方向の位置は、前記活性領域における前記第２電極の、前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の面から前記第１深さ方向の位置とほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
  5. 前記活性領域における前記第２半導体領域の前記第１深さ方向の深さは１．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
  6. 前記終端構造部が設けられたチップ外周側の厚さは８０μｍよりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
  7. 前記終端構造部は、
    前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた複数の第１導電型の第７半導体領域と、
    複数の前記第７半導体領域にそれぞれ電気的に接する複数のフィールドプレート領域と、
    前記第３半導体領域の前記第２半導体領域側に対して反対側の、前記第７半導体領域よりもチップ外周側の表面層に前記第７半導体領域と離れて選択的に設けられた、前記第３半導体領域よりも抵抗率の低い第２導電型の第８半導体領域と、
    前記第８半導体領域に接するフィールドプレートと、で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
  8. 前記フィールドプレート領域は、ポリシリコンでできていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. チップ外周側の厚さよりも薄い厚さを有するチップ内周側に設けられた活性領域を備えた半導体装置の製造方法であって、
    第１導電型の第１ウエハの主面上に絶縁領域を形成する工程と、
    第２導電型の第２ウエハの主面の表面層に第２導電型の第２半導体領域を形成する工程と、
    前記第１ウエハの前記絶縁領域が形成された面と、前記第２ウエハの前記第２半導体領域が形成された面とを貼り合わせる工程と、
    貼り合せた前記第１ウエハと前記第２ウエハとを熱処理によって結合する工程と、
    前記第１ウエハに結合された前記第２ウエハの、前記第１ウエハ側に対して反対側の主面の前記活性領域に、おもて面素子構造を形成する工程と、
    前記第２ウエハに結合された前記第１ウエハおよび前記絶縁領域の、前記おもて面素子構造に対応する部分を、湿式エッチングによって選択的に除去する工程と、
    前記第１ウエハおよび前記絶縁領域が除去されて露出した前記第２半導体領域の表面に第１導電型の第１半導体領域を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 形成された前記第１半導体領域の前記第２半導体領域とは反対側の面に第２電極を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
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