JP2014038937A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】pn接合部から耐圧保持構造の内側に広がる空乏層の端部周辺における電界集中を充分に緩和することができ、充分に高い耐圧を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】n型の半導体基板11に形成される半導体素子3を囲繞するp型の終端領域2に、遷移領域71とリサーフ領域72とを形成する。遷移領域71を、p型不純物濃度が半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って減少し、かつ半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って小さくなるように形成する。リサーフ領域72を、p型不純物濃度が、遷移領域31のp型不純物濃度の最小値以下であり、かつ一様になるように形成する。
【選択図】図4An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can sufficiently relax electric field concentration around an end of a depletion layer extending from a pn junction to the inside of a breakdown voltage holding structure and has a sufficiently high breakdown voltage.
A transition region and a RESURF region are formed in a p-type termination region that surrounds a semiconductor element formed on an n-type semiconductor substrate. The p-type per unit length in the direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate 11 decreases in the transition region 71 as the p-type impurity concentration increases from the outer peripheral side of the semiconductor element 3 toward the outer peripheral side of the semiconductor substrate 11. The amount of change in the impurity concentration is formed so as to decrease from the outer peripheral side of the semiconductor element 3 toward the outer peripheral side of the semiconductor substrate 11. The RESURF region 72 is formed so that the p-type impurity concentration is equal to or lower than the minimum value of the p-type impurity concentration of the transition region 31.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、縦型構造の半導体素子、たとえばダイオード、電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;略称:MOSFET)、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;略称:IGBT)を備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor element having a vertical structure, for example, a diode, a field effect transistor (abbreviation: MOSFET), or an insulated gate bipolar transistor (abbreviation: IGBT). .
縦型構造の半導体素子として、耐圧が比較的高い半導体素子(以下「高耐圧半導体素子」という場合がある)を備える半導体装置は、耐圧を確保するために、高耐圧半導体素子の外周部に連なって、耐圧保持構造を有する終端領域を備える。たとえば、n型のドリフト層の活性領域に高耐圧半導体素子が設けられた半導体装置の場合、p型の耐圧保持構造を有する終端領域が、活性領域を取り囲むように形成される。このような半導体装置では、高電圧が印加されたときに、n型のドリフト層とp型の耐圧保持構造とのpn接合部から広がる空乏層によって、活性領域の端部における電界集中を緩和し、耐圧を保持している。 2. Description of the Related Art A semiconductor device including a semiconductor element having a relatively high breakdown voltage (hereinafter sometimes referred to as a “high breakdown voltage semiconductor element”) as a vertical structure semiconductor element is connected to an outer peripheral portion of the high breakdown voltage semiconductor element in order to ensure a breakdown voltage. And a termination region having a breakdown voltage holding structure. For example, in the case of a semiconductor device in which a high breakdown voltage semiconductor element is provided in an active region of an n type drift layer, a termination region having a p type breakdown voltage holding structure is formed so as to surround the active region. In such a semiconductor device, when a high voltage is applied, the depletion layer extending from the pn junction between the n-type drift layer and the p-type breakdown voltage holding structure alleviates electric field concentration at the end of the active region. Holds pressure resistance.
耐圧保持構造には様々な種類があり、ガードリング構造、リサーフ(Reduced SURface Field;略称:RESURF)構造などがよく知られている。 There are various types of pressure-resistant holding structures, and a guard ring structure, a reduced surface field (abbreviation: RESURF) structure, and the like are well known.
ガードリング構造では、空乏層がpn接合部から耐圧保持構造の内側にあまり広がらないように、比較的高濃度にp型不純物を含有するp型半導体層が、半導体素子の周囲を囲む帯状の複数のリングに分割して形成される。複数のリングは、径が小さいものから順に、基板の内側から外側に向かって並べて配置され、逆バイアス時に各リングに電位が分担される。しかし、耐圧クラスが上がり、求められる耐圧が大きくなるにつれて、リングの本数が増える傾向にあるので、各リングの幅およびリング同士の間隔の最適化が難しく、所望の耐圧が得られないことがあるという問題がある。 In the guard ring structure, a p-type semiconductor layer containing a p-type impurity at a relatively high concentration surrounds the periphery of the semiconductor element so that the depletion layer does not spread so much from the pn junction to the inside of the breakdown voltage holding structure. It is formed by dividing into rings. The plurality of rings are arranged side by side from the inner side toward the outer side in order from the smallest diameter, and the potential is shared by each ring during reverse bias. However, as the withstand voltage class increases and the required withstand voltage increases, the number of rings tends to increase, so it is difficult to optimize the width of each ring and the spacing between rings, and the desired withstand voltage may not be obtained. There is a problem.
リサーフ構造では、比較的低濃度にp型不純物を含有するp型半導体層が、分割されることなく一様に形成されるので、空乏層がpn接合部から耐圧保持構造の内側に広がり、比較的小面積の終端領域で耐圧を保持することができる。しかし、終端領域内の1箇所に電界集中が生じやすく、電界集中の緩和による高耐圧化には限界があるという問題がある。 In the RESURF structure, the p-type semiconductor layer containing the p-type impurity at a relatively low concentration is uniformly formed without being divided, so that the depletion layer extends from the pn junction to the inside of the breakdown voltage holding structure. The withstand voltage can be maintained in a terminal area having a small area. However, there is a problem that electric field concentration is likely to occur at one location in the termination region, and there is a limit to increasing the breakdown voltage by relaxing the electric field concentration.
以上のような問題を解決することができる耐圧保持構造として、基板の表面と平行な方向に複数の濃度階調を有する耐圧保持構造が開示されている(たとえば、特許文献1,2参照)。たとえば特許文献2に開示される技術では、前述の耐圧保持構造が、基板の表面と平行な方向の不純物濃度を注入マスクの開口パターンによって制御する、VLD(Variation of Lateral Doping)構造によって実現されている。
As a withstand voltage holding structure capable of solving the above problems, a withstand voltage holding structure having a plurality of density gradations in a direction parallel to the surface of the substrate is disclosed (for example, see
特許文献1,2に開示される耐圧保持構造を有する半導体装置では、ガードリング構造またはリサーフ構造などの耐圧保持構造を有する半導体装置と比べて、電界集中が緩和され、高耐圧化を図ることが可能である。しかし、特許文献1,2に開示される耐圧保持構造を有する半導体装置では、pn接合部から耐圧保持構造の内側に広がる空乏層の端部周辺における電界の緩和が充分ではない。更なる高耐圧化を図るためには、更なる工夫が必要である。
In the semiconductor device having a withstand voltage holding structure disclosed in
本発明の目的は、pn接合部から耐圧保持構造の内側に広がる空乏層の端部周辺における電界集中を充分に緩和することができ、充分に高い耐圧を有する半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a sufficiently high breakdown voltage that can sufficiently alleviate electric field concentration around an end of a depletion layer extending from a pn junction to the inside of a breakdown voltage holding structure.
本発明の半導体装置は、第1導電型の半導体基板に形成される半導体素子と、前記半導体素子を囲繞して前記半導体基板に形成される第2導電型の終端領域とを有し、前記終端領域は、前記半導体基板の厚み方向に垂直な方向において、前記半導体素子の外周部側の部分に形成され、第2導電型の不純物の濃度である第2導電型不純物濃度が、前記半導体素子の外周部側から前記半導体基板の外周部側に向かうに従って減少する遷移領域と、前記厚み方向に垂直な方向において、前記遷移領域よりも前記半導体基板の外周部側の部分に形成され、前記遷移領域に連なり、前記第2導電型不純物濃度が、前記遷移領域の第2導電型不純物濃度の最小値以下であり、かつ一様なリサーフ領域とを含み、前記遷移領域は、前記厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりの前記第2導電型不純物濃度の変化量が、前記半導体素子の外周部側から前記半導体基板の外周部側に向かうに従って小さくなることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element formed on a first conductivity type semiconductor substrate, and a second conductivity type termination region surrounding the semiconductor element and formed on the semiconductor substrate. The region is formed in a portion on the outer peripheral portion side of the semiconductor element in a direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate, and the second conductivity type impurity concentration, which is the concentration of the second conductivity type impurity, is A transition region that decreases from the outer peripheral portion side toward the outer peripheral portion side of the semiconductor substrate, and a transition region that is formed in a portion closer to the outer peripheral portion side of the semiconductor substrate than the transition region in the direction perpendicular to the thickness direction. The second conductivity type impurity concentration is equal to or lower than the minimum value of the second conductivity type impurity concentration of the transition region and includes a uniform RESURF region, and the transition region is perpendicular to the thickness direction. direction Variation of the second conductivity type impurity concentration per definitive unit length, characterized by comprising smaller toward the outer peripheral side of the semiconductor element on the outer peripheral side of the semiconductor substrate.
本発明の半導体装置によれば、第1導電型の半導体基板には、半導体素子と、半導体素子を囲繞する第2導電型の終端領域とが形成される。終端領域には、半導体基板の厚み方向に垂直な方向において、半導体素子の外周部側の部分に遷移領域が形成され、この遷移領域に連なって、遷移領域よりも半導体基板の外周部側の部分にリサーフ領域が形成される。遷移領域は、第2導電型不純物濃度が、半導体素子の外周部側から半導体基板の外周部側に向かうに従って減少し、かつ半導体基板の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりの第2導電型不純物濃度の変化量が、半導体素子の外周部側から半導体基板の外周部側に向かうに従って小さくなる。リサーフ領域は、第2導電型不純物濃度が、遷移領域の第2導電型不純物濃度の最小値以下であり、かつ一様である。 According to the semiconductor device of the present invention, a semiconductor element and a second conductivity type termination region surrounding the semiconductor element are formed on the first conductivity type semiconductor substrate. In the termination region, a transition region is formed in a portion on the outer peripheral portion side of the semiconductor element in a direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate, and a portion on the outer peripheral portion side of the semiconductor substrate from the transition region is connected to the transition region. A RESURF region is formed. In the transition region, the second conductivity type impurity concentration decreases as it goes from the outer peripheral side of the semiconductor element toward the outer peripheral side of the semiconductor substrate, and the second conductivity per unit length in the direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate. The amount of change in the type impurity concentration decreases from the outer peripheral side of the semiconductor element toward the outer peripheral side of the semiconductor substrate. In the RESURF region, the second conductivity type impurity concentration is equal to or less than the minimum value of the second conductivity type impurity concentration in the transition region, and is uniform.
この構成によって、終端領域の内部の広範囲に電界集中領域を分散させることができるので、第1導電型の半導体基板と第2導電型の終端領域との接合部から終端領域の内側に広がる空乏層の端部周辺における電界集中を充分に緩和することができる。これによって、終端領域における局所的な電界集中を抑制することができるので、終端領域の最大電界強度を下げることができる。したがって、アバランシェ降伏電圧を上昇させることができるので、充分に高い耐圧を有する半導体装置を実現することができる。 With this configuration, since the electric field concentration region can be dispersed over a wide area inside the termination region, a depletion layer that extends from the junction between the first conductivity type semiconductor substrate and the second conductivity type termination region to the inside of the termination region. The electric field concentration around the edge of the substrate can be sufficiently relaxed. As a result, local electric field concentration in the termination region can be suppressed, so that the maximum electric field strength in the termination region can be reduced. Therefore, since the avalanche breakdown voltage can be increased, a semiconductor device having a sufficiently high breakdown voltage can be realized.
<前提技術>
図18は、本発明の第1の前提技術の半導体装置10の構成を示す断面図である。半導体装置10は、半導体基板11に形成される半導体素子3と、半導体素子3を囲繞して半導体基板11に形成される終端領域2とを有する。
<Prerequisite technology>
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the
半導体基板11は、不図示のベース基板と、ベース基板の厚み方向の一方側の表面(以下「一表面」という場合がある)に設けられるドリフト層12とを備えて構成される。第1の前提技術では、半導体基板11は、n型の導電性を有するn型半導体基板である。したがって、ベース基板およびドリフト層12は、n型の導電性を有しており、n型半導体材料から成る。以下の説明では、ドリフト層12を「n型ドリフト層12」という場合がある。
The
半導体素子3は、半導体基板11の活性領域1に形成される。半導体素子3は、半導体基板11の活性領域1に形成されるp型ベース領域13と、活性領域1の半導体基板11の厚み方向の一表面に設けられる素子電極14とを備える。p型ベース領域13は、n型ドリフト層12の一部を構成する。
The
p型ベース領域13は、p型不純物の濃度が比較的高くなっている。n型ドリフト層12は、n型不純物の濃度が比較的低くなっている。各図では、不純物濃度が比較的高い領域または層を、「+」を付して、たとえば「p+」として示す。また不純物濃度が比較的低い領域または層を、「−」を付して、たとえば「n−」として示す。
The p-
終端領域2は、耐圧保持構造として、p型のガードリング構造4を有する。ガードリング構造4は、比較的高濃度にp型不純物を含有するp型半導体層を、半導体素子3の周囲を囲む帯状の複数のリング15,16,17に分割して形成される。複数のリング15,16,17は、径が小さいものから順に、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向の内側から外側に向かって並べて配置される。たとえば、半導体素子13が、半導体基板11の厚み方向一方側から見て円形状に形成される場合、複数のリング15,16,17は、半導体基板11の厚み方向一方側から見て同心円状に形成され、小さいものから順に、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向の内側から外側に向かって並べて配置される。
ガードリング構造4では、耐圧クラスが上がり、求められる耐圧が大きくなるにつれて、リング15,16,17の本数が増える傾向にある。したがって、各リング15,16,17の幅およびリング15,16,17同士の間隔の最適化が難しく、所望の耐圧が得られないことがあるという問題がある。
In the
図19は、本発明の第2の前提技術の半導体装置20の構成を示す断面図である。第2の前提技術の半導体装置20は、前述の第1の前提技術の半導体装置10と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。半導体装置20は、終端領域2に、耐圧保持構造として、リサーフ構造5を有する。リサーフ構造5は、比較的低濃度にp型不純物を含有するp型半導体層21によって構成される。p型半導体層21は、分割されることなく一様に形成されており、p型不純物の濃度が一様になっている。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the configuration of the
図20は、本発明の第2の前提技術の半導体装置20に電圧を印加したときのリサーフ構造5の部分の状態を模式的に示す断面図である。半導体装置20に電圧を印加したとき、n型ドリフト層12とp型半導体層21とのpn接合部から、p型半導体層21の内側に、空乏層22が広がる。このとき、リサーフ構造5では、空乏層22の端部22aよりもn型ドリフト層12側の部分に、周辺部分と比べて高電界となる電界集中領域23が生じやすい。電界集中領域23は、pn接合部の深さによっては、pn接合部の外側、すなわちn型ドリフト層12の部分まで広がっている場合もある。
FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing a state of a portion of the
したがって、図19および図20に示すリサーフ構造5では、終端領域2内の1箇所に電界集中が生じやすく、電界集中の緩和による高耐圧化には限界があるという問題がある。
Therefore, the
半導体基板11として、シリコン(Si)から成るSi基板を用いた高耐圧の半導体装置20に、耐圧保持構造としてリサーフ構造5を適用した場合、リサーフ構造5で電界集中が生じても、ある程度の耐圧が得られるのは、n型ドリフト層12の不純物濃度によって大きく変わることはなく、ドーズ量が1×1012cm−2〜2×1012cm−2程度の場合と予想される。しかし、さらなる高耐圧化を図るためには、電界集中領域23における電界の一極集中を抑制する必要がある。
When the
図18に示すガードリング構造4、ならびに図19および図20に示すリサーフ構造5における問題を解決することができる耐圧保持構造として、半導体基板11の表面と平行な方向に複数の濃度階調を有する耐圧保持構造が提案されている。しかし、pn接合部から耐圧保持構造4,5の内側に広がる空乏層の端部周辺における電界の緩和が充分ではない。更なる高耐圧化を図るためには、更なる工夫が必要である。そこで、本発明では、以下の各実施の形態の構成を採用している。
As a breakdown voltage holding structure capable of solving the problems in the
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態の基本となる半導体装置100の構成を示す断面図である。半導体装置100は、前述の第1および第2の前提技術の半導体装置10,20と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。半導体装置100は、半導体基板11に形成される半導体素子3と、半導体素子3を囲繞して半導体基板11に形成される終端領域2とを有する。半導体基板11は、たとえば、小片状の半導体チップである。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
半導体素子3は、比較的高い耐圧を有する高耐圧半導体素子である。このような高耐圧半導体素子を備えて、本実施の形態の半導体装置100が構成される。したがって、本実施の形態の半導体装置100は、比較的高い耐圧を有する高耐圧半導体装置であり、パワーデバイスとして用いられる。半導体素子3は、本実施の形態では、縦型構造の半導体素子3であり、たとえば、縦型構造のダイオード、MOSFET、またはIGBTである。半導体素子3は、半導体基板11の活性領域1に形成される。
The
半導体装置100は、半導体基板11の活性領域1を囲繞する終端領域2に、耐圧保持構造6を有する。耐圧保持構造6は、半導体素子3の外周部を構成するp型ベース領域13に連なって形成され、p型ベース領域13に物理的および電気的に接続される。終端領域2は、第2導電型、本実施の形態ではp型の導電性を有する。
The
終端領域2は、半導体素子3と接続される領域であるp型の接続領域30と、p型の遷移領域31と、p型のリサーフ領域32とを含む。接続領域30、遷移領域31およびリサーフ領域32は、この順に、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向において半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かって並んで形成される。
ここで、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向とは、半導体基板11の厚み方向の一方側の表面である一表面と他方側の表面である他表面とが平行である場合には、それらの表面に平行な方向をいい、半導体基板11の厚み方向の一表面と他表面とが平行でない場合には、半導体基板11の厚み方向の一表面に平行な方向をいう。
Here, the direction perpendicular to the thickness direction of the
接続領域30は、半導体素子3の外周部、具体的には、半導体素子3の外周部を構成するp型ベース領域13に連なって形成される。これによって、接続領域30は、半導体素子3の外周部に物理的および電気的に接続される。
The
遷移領域31は、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向において、半導体素子3の外周部側の部分に形成される。遷移領域31は、接続領域30に連なって形成される。これによって、遷移領域31は、接続領域30に物理的および電気的に接続される。
The
遷移領域31は、p型不純物の濃度であるp型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って徐々に減少している。より詳細には、遷移領域31は、p型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って連続的に減少している。
In the
また、遷移領域31は、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側にわたって一定となっている。ここで、「不純物濃度」とは、単位面積あたりの不純物濃度、すなわちドーズ量のことであり、単位体積あたりの不純物濃度を、深さ方向、すなわち半導体基板11の厚み方向に積分した値に相当する。
In the
リサーフ領域32は、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向において、遷移領域31よりも半導体基板11の外周部側の部分に形成される。リサーフ領域32は、遷移領域31に連なって形成される。これによって、リサーフ領域32は、遷移領域31に物理的および電気的に接続される。リサーフ領域32は、p型不純物濃度が、遷移領域31のp型不純物濃度の最小値以下であり、かつ一様になっている。つまり、リサーフ領域32では、p型不純物濃度は、ある程度一定となっている。
The
接続領域30、遷移領域31およびリサーフ領域32は、n型ドリフト層12にp型不純物を注入して形成されるp型半導体層33によって構成される。p型半導体層33は、p型不純物を含有する。すなわち、接続領域30、遷移領域31およびリサーフ領域32は、p型不純物を含有する。p型半導体層33は、半導体素子3の外周部を構成するp型ベース領域13に連なって形成される。
The
p型半導体層33は、半導体素子3の外周部に接する部分から、半導体基板11の外周部の端部を除く部分にわたって形成される。接続領域30のp型半導体層33と、遷移領域31のp型半導体層33と、リサーフ領域32のp型半導体層33とは、連続して形成されている。接続領域30、遷移領域31およびリサーフ領域32のp型半導体層33によって、換言すれば、接続領域30と遷移領域31とリサーフ領域32とによって、耐圧保持構造6が構成される。
The p-
半導体基板11は、たとえば、シリコン(Si)から成るSi基板によって実現される。この場合、n型領域を形成するn型不純物の例としては、リン、砒素などが挙げられる。p型領域を形成するp型不純物の例としては、ホウ素、アルミニウムなどが挙げられる。
The
耐圧保持構造6において、所望の耐圧を実現するのに充分な高いアバランシェ降伏電圧を得るためには、遷移領域31およびリサーフ領域32における不純物濃度分布が重要となる。本実施の形態では、耐圧保持構造6の内部およびその周辺の電界集中領域を分散させるために、遷移領域31で比較的緩やかな濃度分布を形成する。
In the breakdown
たとえば、半導体基板11としてSi基板を用いて高耐圧の半導体装置100を構成する場合、耐圧保持構造6を形成するときに、アバランシェ降伏時に空乏層が遷移領域31の内部まで充分に広がるように、遷移領域31が、実効的なドーズ量が2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度となる領域を含むようにする。
For example, when the high breakdown
また、p型ベース領域13と耐圧保持構造6との接続部である接続領域30における電界集中を防ぐために、接続領域30におけるドーズ量を、ある程度高くする必要がある。ただし、接続領域30におけるドーズ量が低い場合でも、不純物を拡散するときに行う熱処理の時間を長くするなどして、不純物を深くまで拡散させることによって、接続領域30における電界集中を防ぐことができる。
Further, in order to prevent electric field concentration in the
以上の条件を満たすように、たとえば1×1013cm−2〜2×1013cm−2程度から、1×1012cm−2〜2×1012cm−2程度まで、徐々に実効的なドーズ量を減少させて、接続領域30および遷移領域31を形成する。このとき、前述のように半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側にわたって一定となるように、遷移領域31のドーズ量を減少させる。
In order to satisfy the above conditions, for example, it is gradually effective from about 1 × 10 13 cm −2 to 2 × 10 13 cm −2 to about 1 × 10 12 cm −2 to 2 × 10 12 cm −2. The
図2は、本発明の第1の実施の形態の基本となる半導体装置100に電圧を印加したときの耐圧保持構造6の部分の状態を模式的に示す断面図である。半導体装置100に電圧を印加したとき、n型ドリフト層12とp型半導体層33とのpn接合部から、p型半導体層33の内側に、空乏層34が広がる。このとき、本実施の形態の基本となる半導体装置100においても、空乏層34の端部34aよりもn型ドリフト層12側の部分に、周辺部分と比べて高電界となる電界集中領域35が生じやすい。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state of a portion of the breakdown
しかし、本実施の形態の基本となる半導体装置100の耐圧保持構造6では、図2に示すように、前述の図20に示すp型不純物濃度の変化がないp型半導体層21で構成されるリサーフ構造5を耐圧保持構造として有する場合と比べて、耐圧保持構造6の内部の広い範囲にわたって、電界集中領域35が分散されている。したがって、本実施の形態の基本となる半導体装置100では、前述の図20に示す第2の前提技術の半導体装置20に比べて、電界集中が緩和される。
However, the breakdown
本実施の形態の基本となる半導体装置100の耐圧保持構造6では、電界集中領域35の半導体基板11の一表面に投影した面積(以下「投影面積」という場合がある)は、図20に示すリサーフ構造5における電界集中領域23の投影面積と比べて広くなる。しかし、本実施の形態の基本となる半導体装置100の耐圧保持構造6では、最大電界強度が減少するので、耐圧保持構造6のアバランシェ降伏電圧を上昇させることができる。
In the breakdown
以上のように本実施の形態の基本となる半導体装置100によれば、n型の半導体基板11には、半導体素子3と、半導体素子3を囲繞するp型の終端領域2とが形成される。終端領域2には、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向において、半導体素子3の外周部側の部分に遷移領域31が形成され、この遷移領域31に連なって、遷移領域31よりも半導体基板11の外周部側の部分にリサーフ領域32が形成される。遷移領域31は、p型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って減少する。リサーフ領域31は、p型不純物濃度が、遷移領域31のp型不純物濃度の最小値以下であり、かつ一様である。
As described above, according to the
この構成によって、終端領域31の内部の広範囲に電界集中領域を分散させることができるので、n型の半導体基板11とp型の終端領域2とのpn接合部から終端領域2の内側に広がる空乏層34の端部34a周辺における電界集中を充分に緩和することができる。これによって、終端領域2における局所的な電界集中を抑制することができるので、終端領域2の最大電界強度を下げることができる。したがって、アバランシェ降伏電圧を上昇させることができるので、充分に高い耐圧を有する半導体装置100を実現することができる。
With this configuration, since the electric field concentration region can be dispersed over a wide area inside the
また本実施の形態の基本となる半導体装置100では、遷移領域31は、p型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って連続的に減少している。これによって、以下の効果を得ることができる。
In the
本実施の形態の基本となる半導体装置100と異なり、p型不純物濃度が段階的に減少する場合を考える。たとえば、後述する図12に示すように、遷移領域91が複数の不純物領域93,94,95で構成され、複数の不純物領域93,94,95が、p型不純物濃度が段階的に減少するように配置される場合を考える。この場合、本実施の形態の基本となる半導体装置100の場合と同様のドーズ量であれば、電界集中領域の全体の大きさは、本実施の形態の基本となる半導体装置100の場合と同じになる。しかし、遷移領域91の中の濃度変化する部分、すなわち遷移領域91を構成する各不純物領域93,94,95内には、さらに電界ピークが発生し、電界集中が生じてしまう。
Consider the case where the p-type impurity concentration decreases stepwise unlike the
本実施の形態の基本となる半導体装置100では、前述のように遷移領域31のp型不純物濃度を連続的に変化させるので、前述のようにp型不純物濃度を段階的に減少させる場合に濃度変化がある部分にさらに生じる電界集中を抑制することができる。したがって、さらに高い耐圧を有する半導体装置100を実現することができる。
In the
図3は、耐圧保持構造6の形成に使用される注入マスク40の構成を示す平面図である。耐圧保持構造6は、たとえば、図3に示すパターンの注入マスク40を用いてイオン注入を行った後、熱拡散を行うことによって形成することができる。注入マスク40は、たとえばシリコン酸化膜41によって形成される。
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the
注入マスク40は、ラインまたはドットなどの、シリコン酸化膜41が形成されていない開口パターン42〜46,51〜67を有する。注入マスク40は、開口パターン42〜46,51〜67の開口率(以下「パターン開口率」という場合がある)が、接続領域30および遷移領域31では、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って徐々に減少し、リサーフ領域32では、ある程度一定となるように作製される。ここで、開口率とは、注入マスク40の注目している領域の全面積に対する開口パターンの面積の比率をいう。
The
図3に示すような注入マスク40を用いた場合、たとえば1×1013cm−2のドーズ量で開口率10%の領域にイオン注入を行うと、その領域の平均的なドーズ量は、1×1013cm−2の10%の1×1012cm−2となる。さらに、イオン注入後に熱拡散を行うことによって、各開口パターン41〜46,51〜67に注入された不純物の領域が図1に示すように接続され、実質的にドーズ量1×1012cm−2でイオン注入を行った場合と同等の濃度分布を得ることができる。図1では、各開口パターン41〜46,51〜56から不純物が注入された領域を、それぞれ破線で示している。図2以降の図においても、図1と同様に、不純物が注入された領域を破線で図示する場合がある。
When an
このように注入マスクの開口率を制御することによって、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向において、実効的なドーズ量を変化させることができる。これによって、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向に濃度分布を有する耐圧保持構造6を構成する接続領域30、遷移領域31およびリサーフ領域32を、一括して形成することができる。
Thus, by controlling the aperture ratio of the implantation mask, the effective dose can be changed in the direction perpendicular to the thickness direction of the
また、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って徐々に厚みが大きくなる酸化膜またはレジストで構成されるマスクを用いて、マスク越しにイオン注入することによっても、注入マスクの開口率の制御を行った場合と同様の耐圧保持構造6を得ることが可能である。
Alternatively, ion implantation is performed through a mask using a mask made of an oxide film or a resist that gradually increases in thickness from the outer peripheral side of the
また、p型ベース領域13と耐圧保持構造6との重なり部分である接続領域30において、耐圧保持構造6のp型不純物濃度が最も高くなるので、注入マスクの開口率は、接続領域30を100%とし、接続領域30から半導体基板1の外周部側に向かうに従って減少させればよい。したがって、p型ベース領域13と同一のマスクで、耐圧保持構造6が形成される終端領域2における注入マスクの開口率を低くして耐圧保持構造6を形成してもよい。
In addition, in the
以上に述べた本実施の形態の基本となる半導体装置100では、遷移領域31は、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側にわたって一定となっている。遷移領域31は、これに限定されず、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って徐々に大きくなっていてもよい。この場合でも、本実施の形態の基本となる半導体装置100と同様の効果を得ることができる。
In the
遷移領域31は、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って徐々に小さくなっていることが好ましい。この構成は、後述する図4に示す第1の実施の形態の半導体装置110に相当する。この構成によって、後述するような効果を得ることができる。
In the
図4は、本発明の第1の実施の形態の半導体装置110の構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置110は、前述の第1の実施の形態の基本となる半導体装置100と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。図5は、本発明の第1の実施の形態における終端領域2へのドーズ量を模式的に示すグラフである。図5において、横軸は活性領域1からの距離Lを表し、縦軸はドーズ量Dを表す。
FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of the
本実施の形態の半導体装置110では、耐圧保持構造6Aは、図5に示すドーズ量で形成される接続領域70と遷移領域71とリサーフ領域72とを備えて構成される。接続領域70、遷移領域71およびリサーフ領域72は、p型半導体層73によって構成される。本実施の形態におけるp型半導体層73は、遷移領域71におけるp型不純物のドーズ量および注入深さが異なること以外は、前述の第1の実施の形態の基本となる半導体装置100におけるp型半導体層33と同様の構成を有する。
In the
具体的に述べると、本実施の形態では、図5に示すように、遷移領域71のドーズ量を、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って小さくなるように変化させている。
More specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the dose of the
すなわち、本実施の形態の半導体装置110では、遷移領域71は、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って小さくなっている。
That is, in the
図6は、本発明の第1の実施の形態の半導体装置110に電圧を印加したときの耐圧保持構造6Aの部分の状態を模式的に示す断面図である。半導体装置110に電圧を印加したとき、n型ドリフト層12とp型半導体層73とのpn接合部からp型半導体層73の内側にわたって、空乏層74が広がる。本実施の形態においても、空乏層74の端部74aよりもn型ドリフト層12側の部分には、電界集中領域75が生じやすい。本実施の形態の耐圧保持構造6Aでは、図6に示すように、図2に示す第1の実施の形態の基本となる半導体装置100の場合と比べて空乏層74が半導体基板11の内部側に広がり、電界集中領域75が耐圧保持構造6Aの広範囲に広がっており、電界集中がさらに緩和されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the state of the
図7は、第2の前提技術の半導体装置20、第1の実施の形態の基本となる半導体装置100、および第1の実施の形態の半導体装置110の、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における電界強度分布を示すグラフである。図7において、横軸は活性領域1からの距離Lを表し、縦軸は電界強度Eを表す。図7では、第2の前提技術の半導体装置20の電界強度分布を参照符号「24」で示される破線で表し、第1の実施の形態の基本となる半導体装置100の電界強度分布を参照符号「36」で示される実線で表し、第1の実施の形態の半導体装置110の電界強度分布を参照符号「76」で示される太線で表している。また図7では、図2に示す第1の実施の形態の基本となる半導体装置100に形成される電界集中領域35に相当する部分を参照符号「35」で示している。
FIG. 7 shows the
図7から明らかなように、参照符号「76」で示される本実施の形態のように、遷移領域71のドーズ量を、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って小さくなるように変化させた場合、第2の前提技術の半導体装置20、および第1の実施の形態の基本となる半導体装置100に比べて、電界集中領域を分散させ、最大電界強度を減少させることができる。
As is clear from FIG. 7, the dose amount of the
以上のように本実施の形態によれば、前述の図1および図2に示す第1の実施の形態の基本となる半導体装置100に比べて、電界集中領域をさらに分散させることができるので、最大電界強度をさらに減少させることができる。これによって、耐圧保持構造6Aのアバランシェ降伏電圧を上昇させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the electric field concentration region can be further dispersed as compared with the
このように、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かって不純物濃度の単位長さあたりの変化量が小さくなるように遷移領域71のドーズ量を変化させるとき、遷移領域71は、アバランシェ降伏時に、実効的なドーズ量が2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度以下の領域で表面まで空乏化する。したがって、遷移領域71において、2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度から、それ以上のドーズ量領域を含むようにすると、空乏層74の端部74aの曲率が緩和されて、効果的に電界集中を分散させることができる。
As described above, when the dose of the
以上のような遷移領域71の濃度プロファイルを形成するためには、たとえば、前述の図3に示す注入マスク40を、パターン開口率、すなわちシリコン酸化膜41の開口率が、半導体基板11の外周部に向かうに従って、下に凸の関数に即して減少するように作製しておけばよい。下に凸の関数の例としては、指数関数、二次関数などが挙げられる。
In order to form the concentration profile of the
シリコン酸化膜41の開口率を、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かって指数関数に即して減少させる場合、遷移領域71の内周部から半導体基板11の外周部に向かう方向の位置をxとして、位置xにおける開口率が100×exp(−ax)%となるようにシリコン酸化膜41を形成しておく。これによって、x=2.3/aにおける実効的なドーズ量は、開口率が100%の場合の約10分の1まで減少する。このとき、ドーズ量、遷移領域71の寸法およびaの値を適宜に選択することによって、約0.41/aの幅で実効的なドーズ量が2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度の領域が得られる。これによって、電界集中を分散する効果が得られる。
When the aperture ratio of the
以上のように本実施の形態では、下に凸の関数として指数関数を用いた例を示したが、二次関数などの他の下に凸の関数に即してドーズ量を減少させた場合でも、同様の効果を得ることができる。 As described above, in this embodiment, an example is shown in which an exponential function is used as a downward convex function. However, when the dose is reduced in accordance with another downward convex function or the like, However, the same effect can be obtained.
<第2の実施の形態>
図8は、本発明の第2の実施の形態の基本となる半導体装置100Aの構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置100Aは、前述の第1の実施の形態の基本となる半導体装置100と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of a
図9は、本発明の第2の実施の形態の半導体装置110Aの構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置110Aは、前述の第1の実施の形態の半導体装置110と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a
本実施の形態の半導体装置110Aおよびその基本となる半導体装置100Aは、半導体素子3A、および終端領域2の半導体基板11の厚み方向の一表面に絶縁膜81を備える。また半導体素子3Aは、絶縁膜81の上部に張り出して設けられる素子電極14Aを備える。半導体素子3Aは、素子電極14Aの構成が異なること以外は、第1の実施の形態およびその基本となる半導体装置110,100における半導体素子3と同様の構成を有する。
The
このように、絶縁膜81の上部に素子電極14Aを張り出すように設けることによって、素子電極14Aに、フィールドプレートとしての役割を果たさせることができる。これによって、耐圧保持構造6における電界集中をさらに分散させることができる。
Thus, by providing the
絶縁膜81は、たとえば、フィールド酸化膜によって実現される。フィールド酸化膜は、半導体基板11を構成するn型ドリフト層12を酸化することによって形成される。素子電極14Aは、本実施の形態では遷移領域31の上部に張り出して設けられているが、リサーフ領域32の上部まで張り出して設けられてもよい。
The insulating
素子電極14Aとしては、半導体素子3Aが縦型のダイオードである場合にはアノード電極を用いることができ、また半導体素子3AがMOSFETまたはIGBTである場合には、ソース電極、エミッタ電極またはゲート電極などを用いることができる。
As the
<第3の実施の形態>
図10は、本発明の第3の実施の形態の基本となる半導体装置100Bの構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置100Bは、前述の第1の実施の形態の基本となる半導体装置100と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a
図11は、本発明の第3の実施の形態の半導体装置110Bの構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置110Bは、前述の第1の実施の形態の半導体装置110と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a
本実施の形態の半導体装置110Bおよびその基本となる半導体装置100Bは、半導体素子3B、絶縁膜82、フローティングフィールドプレート83、チャネルストッパ領域84およびチャネルストッパフィールドプレート85をさらに備える。半導体素子3Bは、素子電極14Bの構成が異なること以外は、第1の実施の形態およびその基本となる半導体装置110,100における半導体素子3と同様の構成を有する。
The
絶縁膜82は、終端領域2の半導体基板11の厚み方向の一表面に設けられる。半導体素子3Bは、絶縁膜82の上部に張り出して設けられる素子電極14Bを備える。素子電極14Bとしては、半導体素子3Bが縦型のダイオードである場合にはアノード電極を用いることができ、また半導体素子3BがMOSFETまたはIGBTである場合には、ソース電極、エミッタ電極またはゲート電極などを用いることができる。
The insulating
チャネルストッパ領域84は、終端領域2を囲繞して半導体基板11の外周部の端部に形成される。チャネルストッパ領域84は、本実施の形態では、p型の導電性を有する。チャネルストッパ領域84は、n型の導電性を有してもよい。チャネルストッパフィールドプレート85は、チャネルストッパ領域84の半導体基板11の厚み方向の一表面に設けられる。
The
フローティングフィールドプレート83は、素子電極14Bとチャネルストッパフィールドプレート85との間の半導体基板11上に、素子電極14Bおよびチャネルストッパフィールドプレート85から離間して設けられる。本実施の形態では、半導体装置100Bは、複数、具体的には5つのフローティングフィールドプレート83を備える。フローティングフィールドプレート83の個数は、これに限定されるものではなく、半導体装置100Bは、1つ以上のフローティングフィールドプレートを備えればよい。
The floating
本実施の形態によれば、フローティングフィールドプレート83と、チャネルストッパ領域84と、チャネルストッパフィールドプレート85とによって、リサーフ領域32に電位を分担させる割合を増加させることができる。これによって、耐圧保持構造6における電界集中をさらに分散させることができる。
According to the present embodiment, the floating
フローティングフィールドプレート83、チャネルストッパ領域84およびチャネルストッパフィールドプレート85は、たとえば以下のようにして形成することができる。たとえば、チャネルストッパ13がp型である場合には、耐圧保持構造6などの他のp型領域を形成する工程と同時に形成することができる。チャネルストッパ13がn型である場合には、MOSFETまたはIGBTのセル領域などの他のn型領域を形成する工程と同時に形成することができる。
The floating
<第4の実施の形態>
図12は、本発明の第4の実施の形態の半導体装置120の構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置120は、前述の第1の実施の形態の半導体装置110と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
<Fourth embodiment>
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a
本実施の形態の半導体装置120は、第1の実施の形態の半導体装置100と同様に、耐圧保持構造7を備える。本実施の形態では、耐圧保持構造7は、p型の遷移領域91と、遷移領域91に連なるリサーフ領域92とで構成される。遷移領域91は、半導体素子3を構成するp型ベース領域13に連なる。これによって、遷移領域91は、p型ベース領域13に物理的および電気的に接続する。半導体素子3は、たとえば、縦型構造のダイオード、MOSFET、またはIGBTによって実現される。
Similar to the
本実施の形態の遷移領域91は、p型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かって段階的に減少している。遷移領域91は、p型不純物を含有する複数の不純物領域93〜95、本実施の形態では3つの不純物領域93〜95を含んで構成される。各不純物領域93〜95は、p型不純物濃度が一様に形成されている。すなわち、各不純物領域93〜95は、一様な不純物濃度を有する。
In the
複数の不純物領域93〜95は、p型不純物の濃度および注入深さが異なっている。これら複数の不純物領域93〜95は、p型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って段階的に減少するように、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向に並んで形成されている。
The plurality of
リサーフ領域92は、第1の実施の形態におけるリサーフ領域72と同様に構成され、一様なp型不純物濃度になっている。リサーフ領域92は、p型不純物を含有する1つの不純物領域96によって構成される。リサーフ領域92を構成する不純物領域96は、遷移領域91を構成する各不純物領域93〜95に比べて、p型不純物濃度が小さくなっている。図12では、p型不純物濃度が小さいことを、「p−」と表記している。以下では、遷移領域91およびリサーフ領域92を構成する各不純物領域93〜96を、「p型領域」という場合がある。
The
本実施の形態においても、耐圧保持構造7において、高いアバランシェ降伏電圧を得るためには、遷移領域91およびリサーフ領域92の不純物濃度分布が重要となる。
Also in the present embodiment, in order to obtain a high avalanche breakdown voltage in the breakdown
本実施の形態の耐圧保持構造7では、耐圧保持構造7の内部の電界集中を分散させるために、遷移領域91で比較的緩やかな濃度分布を形成する。たとえば、Si基板からなる高耐圧半導体装置120に本実施の形態の耐圧保持構造7を形成する場合、アバランシェ降伏時に空乏層が遷移領域91の内部まで充分に広がるように、遷移領域91が、実効的なドーズ量が2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度となる領域を含むようにする。
In the breakdown
また、p型ベース領域13と耐圧保持構造7との接続部における電界集中を防ぐために、p型ベース領域13と耐圧保持構造7との接続部における遷移領域91のドーズ量を、ある程度高くする必要がある。ただし、p型ベース領域13と耐圧保持構造7との接続部における遷移領域91のドーズ量が低い場合でも、不純物を拡散するときに行う熱処理の時間を長くするなどして不純物を深くまで拡散させることによって、p型ベース領域13と耐圧保持構造7との接続部における電界集中を防ぐことができる。
Further, in order to prevent electric field concentration at the connection portion between the p-
以上の条件を満たすように、たとえば1×1013cm−2〜2×1013cm−2程度から1×1012cm−2〜2×1012cm−2程度まで、段階的に実効的なドーズ量が減少する遷移領域91を形成する。
In order to satisfy the above conditions, for example, it is effective stepwise from about 1 × 10 13 cm −2 to 2 × 10 13 cm −2 to about 1 × 10 12 cm −2 to about 2 × 10 12 cm −2. A
このように形成することによって、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。具体的には、遷移領域91の内部の広範囲に電界集中領域を分散することができるので、n型の半導体基板11とp型の終端領域2とのpn接合部から終端領域2の内側に広がる空乏層の端部周辺における電界集中を充分に緩和することができる。これによって、終端領域2における局所的な電界集中を抑制することができるので、終端領域2の最大電界強度を下げることができる。したがって、アバランシェ降伏電圧を上昇させることができるので、充分に高い耐圧を有する半導体装置120を実現することができる。
By forming in this way, the same effect as the first embodiment can be obtained. Specifically, since the electric field concentration region can be dispersed over a wide area inside the
また本実施の形態では、遷移領域91は、p型不純物濃度が一様な複数の不純物領域93〜95を含む。これら複数の不純物領域93〜95は、p型不純物濃度が、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って段階的に減少するように並んで形成されている。これによって、p型不純物濃度が半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かうに従って減少する遷移領域91を、容易に実現することができる。したがって、前述のような高耐圧の半導体装置120を、容易に実現することができる。
In the present embodiment,
本実施の形態の耐圧保持構造7は、たとえばシリコン酸化膜またはレジストなどを注入マスクとしてイオン注入を行った後、熱拡散を行うことによって形成することができる。具体的には、複数の注入マスクを用いて、異なるドーズ量で複数回イオン注入を行うことによって、不純物濃度の異なる複数のp型領域を形成して、遷移領域91およびリサーフ領域92を形成することができる。
The breakdown
また、本実施の形態の耐圧保持構造7は、たとえば、領域ごとに異なる開口率を有する前述の図3に示すような注入マスク40を用いて、領域ごとに不純物濃度の異なる複数のp型領域を一括形成することによって形成することもできる。
Further, the breakdown
また、領域ごとに厚さの異なる酸化膜またはレジストによるマスクを用いて、マスク越しにイオン注入することによっても、領域ごとに不純物濃度の異なる複数のp型領域を一括形成して、本実施の形態の耐圧保持構造7を形成することもできる。
In addition, a plurality of p-type regions having different impurity concentrations for each region can be collectively formed by ion implantation through a mask using an oxide film or resist mask having a different thickness for each region. It is also possible to form a pressure-
図13は、本発明の第4の実施の形態における耐圧保持構造7を形成する様子を示す断面図である。本実施の形態の耐圧保持構造7は、たとえば、図13に示すように複数のマスクパターン111〜113を用いて形成することもできる。この場合、同じまたは異なるドーズ量で複数回の重ね注入を行う領域を設けることによって、領域ごとに不純物濃度の異なる複数のp型領域を形成して、耐圧保持構造7を形成する。図13では、重ね注入による効果が明確になるように、遷移領域91が、6つのp型領域101〜106で構成される場合を示している。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a manner in which the breakdown
図14は、本発明の第4の実施の形態における遷移領域91のドーズ量の一例を示すグラフである。図14において、横軸は活性領域1からの距離Lを表し、縦軸はドーズ量Dを表す。本実施の形態では、図14に示すように、遷移領域91を構成する複数の不純物領域、たとえば図13のp型領域101〜106間のドーズ量の変化量D1〜Dnが全て同じになり、かつ、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における幅(以下、単に「幅」という場合がある)W1〜Wn−1が全て同じになるように、遷移領域91におけるp型不純物のドーズ量Dを減少させている。
FIG. 14 is a graph showing an example of the dose amount of the
これによって、前述の図19および図20に示す第2の前提技術の半導体装置20における濃度変化のない耐圧保持構造5と比べて、電界集中領域を分散させることができるので、耐圧保持構造7のアバランシェ降伏電圧を向上させることができる。
As a result, the electric field concentration region can be dispersed as compared with the breakdown
遷移領域91におけるp型不純物のドーズ量Dは、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かってドーズ量の変化量D1〜Dnが徐々に大きくなるか、または不純物領域101〜106の幅W1〜Wn−1が徐々に小さくなるか、または、その両方の変化をするように、減少されてもよい。この場合でも、前述の場合と同様に、前述の図19および図20に示す第2の前提技術の半導体装置20における濃度変化のない耐圧保持構造5と比べて、電界集中領域を分散させることができるので、耐圧保持構造7のアバランシェ降伏電圧を向上させることができる。
As for the dose amount D of the p-type impurity in the
図15は、本発明の第4の実施の形態における遷移領域91のドーズ量の他の例を示すグラフである。図15において、横軸は活性領域1からの距離Lを表し、縦軸はドーズ量Dを表す。図15に示すように、遷移領域91のドーズ量は、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かってドーズ量の変化量D1〜Dnが徐々に小さくなるか、または不純物領域101〜106の幅W1〜Wn−1が徐々に大きくなるか、またはその両方の変化をするように減少させることが好ましい。
FIG. 15 is a graph showing another example of the dose amount of the
これによって、図14に示すようにドーズ量の変化量D1〜Dnおよび不純物領域101〜106の幅W1〜Wn−1が全て同じか、または半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かって、ドーズ量の変化量D1〜Dnが徐々に大きくなるか、もしくは不純物領域の幅W1〜Wn−1が徐々に小さくなるか、もしくはその両方の変化をするように、遷移領域91のドーズ量を減少させる場合と比べて、電界集中領域をさらに分散させることができる。したがって、耐圧保持構造7のアバランシェ降伏電圧をさらに上昇させることができる。
Thereby, as shown in FIG. 14, the amount of change D1 to Dn of the dose amount and the widths W1 to Wn−1 of the
特に、ドーズ量の変化量D1〜Dnが、半導体素子3の外周部側から半導体基板11の外周部側に向かって徐々に小さくなるように、遷移領域91のドーズ量を減少させると、遷移領域91を構成する複数の不純物領域を、半導体基板11の厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりのp型不純物濃度の変化量を小さくなるように並べて形成することができる。これによって、前述の第1の実施の形態と同様に、電界集中領域をより分散させることができるので、最大電界強度をさらに減少させることができる。したがって、耐圧保持構造7のアバランシェ降伏電圧をさらに上昇させることができる。
In particular, when the dose amount of the
遷移領域91のドーズ量が図15のように変化する場合、遷移領域91は、アバランシェ降伏時に、ドーズ量が2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度以下の領域で表面まで空乏化する。したがって、遷移領域91のドーズ量が図15のように変化する領域において、2×1012cm−2〜3×1012cm−2程度からそれ以上のドーズ量の領域を含むようにすると、空乏層の端部の曲率が緩和して効果的に電界集中を分散することができる。
When the dose amount of the
<第5の実施の形態>
図16は、本発明の第5の実施の形態の半導体装置120Aの構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置120Aは、前述の第2および第4の実施の形態の半導体装置110A,120と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施の形態の半導体装置120Aは、半導体素子3A、および終端領域2の半導体基板11の厚み方向の一表面に絶縁膜81を備える。また半導体素子3Aは、絶縁膜81の上部に張り出して設けられる素子電極14Aを備える。
<Fifth embodiment>
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a configuration of a
このように、絶縁膜81の上部に素子電極14Aを張り出すように設けることによって、素子電極14Aに、フィールドプレートとしての役割を果たさせることができる。これによって、耐圧保持構造6における電界集中をさらに分散させることができる。
Thus, by providing the
絶縁膜81は、たとえば、フィールド酸化膜によって実現される。フィールド酸化膜は、半導体基板11を構成するn型ドリフト層12を酸化することによって形成される。素子電極14Aは、本実施の形態では遷移領域31の上部に張り出して設けられているが、リサーフ領域32の上部まで張り出して設けられてもよい。
The insulating
本実施の形態においても、素子電極14Aとしては、半導体素子3Aが縦型のダイオードである場合にはアノード電極を用いることができ、また半導体素子3AがMOSFETまたはIGBTである場合には、ソース電極、エミッタ電極またはゲート電極などを用いることができる。
Also in the present embodiment, as the
<第6の実施の形態>
図17は、本発明の第6の実施の形態の半導体装置120Bの構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置120Bは、前述の第3および第4の実施の形態の半導体装置110B,120と構成が類似しているので、対応する構成については同一の参照符号を付して説明を省略する。
<Sixth Embodiment>
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a
本実施の形態の半導体装置120Bは、第3の実施の形態の半導体装置110Bと同様に、半導体素子3B、絶縁膜82、フローティングフィールドプレート83、チャネルストッパ領域84およびチャネルストッパフィールドプレート85をさらに備える。絶縁膜82は、終端領域2の半導体基板11の厚み方向の一表面に設けられる。半導体素子3Bは、絶縁膜82の上部に張り出して設けられる素子電極14Bを備える。素子電極14Bとしては、半導体素子3Bが縦型のダイオードである場合にはアノード電極を用いることができ、また半導体素子3BがMOSFETまたはIGBTである場合には、ソース電極、エミッタ電極またはゲート電極などを用いることができる。
Similar to the
本実施の形態によれば、フローティングフィールドプレート83と、チャネルストッパ領域84と、チャネルストッパフィールドプレート85とによって、リサーフ領域32における電位分担の割合を増加させることができる。これによって、耐圧保持構造6における電界集中をさらに分散させることができる。
According to the present embodiment, the floating
フローティングフィールドプレート83、チャネルストッパ領域84およびチャネルストッパフィールドプレート85は、前述の第3の実施の形態と同様にして形成することができる。
The floating
以上の各実施の形態で述べたように、遷移領域31,71,91およびリサーフ領域32,72,92の寸法は、それぞれ独立に設計することが可能である。それぞれの寸法が大きくなるほど、高耐圧の耐圧保持構造6,6A,6B,7が得られる傾向にある。ただし、従来のガードリング構造などと比べて小面積の終端領域2の場合でも、充分に高い耐圧を得ることが可能である。
As described in the above embodiments, the dimensions of the
以上の各実施の形態では、半導体基板11の例としてSi基板を例に挙げたが、炭化珪素(SiC)などの他のバンドギャップを有する半導体材料から成る半導体基板を用いてもよい。この場合、ドーズ量などの最適値は異なるが、Si基板を用いた場合と同様に、電界集中を緩和する効果を得ることができる。したがって、本発明の半導体装置は、Siパワーデバイスだけでなく、SiCパワーデバイスにも適用することができる。
In each of the above embodiments, the Si substrate is taken as an example of the
以上の各実施の形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とした半導体装置を例に挙げたが、n型およびp型の導電型は逆にしてもよい。 In each of the above embodiments, the semiconductor device in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example. However, the n-type and p-type conductivity types may be reversed.
以上の各実施の形態で示した各図面は、構造等を簡易的に分かりやすく示したものであり、縮尺および縦横比などは実際のものとは異なる場合がある。 Each of the drawings shown in the above embodiments shows the structure and the like in a simple and easy-to-understand manner, and the scale and aspect ratio may be different from the actual ones.
本発明は、その発明の範囲内において、前述の各実施の形態を自由に組み合わせることが可能であり、また各実施の形態の任意の構成要素を適宜、変形または省略することが可能である。 The present invention can be freely combined with the above-described embodiments within the scope of the invention, and arbitrary constituent elements of the embodiments can be appropriately modified or omitted.
1 活性領域、2 終端領域、3,3A 半導体素子、6,6A,6B,7 耐圧保持構造、11 半導体基板、12 n型ドリフト層、13 p型ベース領域、14,14A 素子電極、22,34,74 空乏層、100,100A,100B,110,110A,110B,120,120A,120B 半導体装置、30,70 接続領域、31,71,91 遷移領域、32,72,92 リサーフ領域、81,82 絶縁膜、83 フローティングフィールドプレート、84 チャネルストッパ領域、85 チャネルストッパフィールドプレート。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体素子を囲繞して前記半導体基板に形成される第2導電型の終端領域とを有し、
前記終端領域は、
前記半導体基板の厚み方向に垂直な方向において、前記半導体素子の外周部側の部分に形成され、第2導電型の不純物の濃度である第2導電型不純物濃度が、前記半導体素子の外周部側から前記半導体基板の外周部側に向かうに従って減少する遷移領域と、
前記厚み方向に垂直な方向において、前記遷移領域よりも前記半導体基板の外周部側の部分に形成され、前記遷移領域に連なり、前記第2導電型不純物濃度が、前記遷移領域の第2導電型不純物濃度の最小値以下であり、かつ一様なリサーフ領域とを含み、
前記遷移領域は、前記厚み方向に垂直な方向における単位長さあたりの前記第2導電型不純物濃度の変化量が、前記半導体素子の外周部側から前記半導体基板の外周部側に向かうに従って小さくなることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element formed on a first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type termination region formed on the semiconductor substrate surrounding the semiconductor element;
The termination region is
In a direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor substrate, a second conductivity type impurity concentration, which is a concentration of a second conductivity type impurity formed in a portion on the outer periphery side of the semiconductor element, is on the outer periphery side of the semiconductor element. A transition region that decreases from the outer periphery of the semiconductor substrate toward the outer peripheral side,
In a direction perpendicular to the thickness direction, the transition region is formed at a portion closer to the outer peripheral portion of the semiconductor substrate, is connected to the transition region, and the second conductivity type impurity concentration is the second conductivity type of the transition region. Including a uniform resurf region that is less than or equal to the minimum impurity concentration,
In the transition region, the amount of change in the second conductivity type impurity concentration per unit length in a direction perpendicular to the thickness direction becomes smaller from the outer peripheral side of the semiconductor element toward the outer peripheral side of the semiconductor substrate. A semiconductor device.
前記複数の不純物領域は、前記第2導電型不純物濃度が、前記半導体素子の外周部側から前記半導体基板の外周部側に向かうに従って段階的に減少するように並んで形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The transition region includes a plurality of impurity regions having a uniform second conductivity type impurity concentration,
The plurality of impurity regions are formed side by side such that the second conductivity type impurity concentration decreases stepwise from the outer peripheral side of the semiconductor element toward the outer peripheral side of the semiconductor substrate. The semiconductor device according to claim 1.
前記半導体素子は、前記半導体基板の厚み方向の一表面に設けられる素子電極を備え、
前記素子電極は、前記絶縁膜の上部に張り出して設けられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。 An insulating film is provided on one surface of the termination region in the thickness direction of the semiconductor substrate,
The semiconductor element comprises an element electrode provided on one surface in the thickness direction of the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the element electrode is provided so as to protrude from an upper portion of the insulating film.
前記チャネルストッパ領域の前記半導体基板の厚み方向の一表面に設けられるチャネルストッパフィールドプレートと、
前記素子電極と前記チャネルストッパフィールドプレートとの間の前記半導体基板上に、前記素子電極および前記チャネルストッパフィールドプレートから離間して設けられる1つ以上のフローティングフィールドプレートとを備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 A channel stopper region of a first conductivity type or a second conductivity type formed at an end of the outer periphery of the semiconductor substrate surrounding the termination region;
A channel stopper field plate provided on one surface of the channel stopper region in the thickness direction of the semiconductor substrate;
One or more floating field plates provided on the semiconductor substrate between the device electrode and the channel stopper field plate and spaced from the device electrode and the channel stopper field plate. Item 6. The semiconductor device according to Item 5.
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