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JP2016058661A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2016058661A
JP2016058661A JP2014185721A JP2014185721A JP2016058661A JP 2016058661 A JP2016058661 A JP 2016058661A JP 2014185721 A JP2014185721 A JP 2014185721A JP 2014185721 A JP2014185721 A JP 2014185721A JP 2016058661 A JP2016058661 A JP 2016058661A
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Japan
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region
type
semiconductor
silicon carbide
impurity concentration
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Pending
Application number
JP2014185721A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
明将 木下
Akimasa Kinoshita
明将 木下
保幸 星
Yasuyuki Hoshi
保幸 星
原田 祐一
Yuichi Harada
祐一 原田
崇 辻
Takashi Tsuji
崇 辻
福田 憲司
Kenji Fukuda
憲司 福田
原田 信介
Shinsuke Harada
信介 原田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which can reduce on-resistance and suppress a decrease in breakdown voltage.SOLUTION: A semiconductor device comprises a JFET region provided in a second n type silicon carbide epitaxial layer 2b on a source side of an n type drift region, where an impurity concentration is higher than that of a first n type silicon carbide epitaxial layer 2a on a drain side of the n type drift region. On a part of the JFET region, sandwiched by p type base regions 4, an n type well region 8 having an impurity concentration higher than that of the second n type silicon carbide epitaxial layer 2b is provided. On a part of the JFET region, sandwiched by ptype base regions 3, an n type high-concentration region 2c having an impurity concentration higher than that of the n type well region 8 is provided. A thickness t2 of the n type high-concentration region 2c is thinner than a thickness t3 of the ptype base region 3. That is, an impurity concentration of a part of the JFET region other than an underside corner part of the ptype base region 3 on the JFET region side is higher than that of the JFET region on the drain side of the n type drift region.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

従来、炭化珪素(SiC)半導体によるスイッチングデバイスとして、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)が公知である。例えば縦型MOSFETを作製(製造)するには、まず、第1導電型の炭化珪素半導体からなる半導体基板(以下、炭化珪素基板とする)のおもて面に、半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型炭化珪素半導体層を形成する。次に、第1導電型炭化珪素層の、炭化珪素基板側に対して反対側の表面側に、一般的なMOSゲート(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造およびソース電極などを形成する。その後、炭化珪素基板の裏面にドレイン電極を形成することで、縦型MOSFETが完成する。   Conventionally, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is known as a switching device using a silicon carbide (SiC) semiconductor. For example, in order to manufacture (manufacture) a vertical MOSFET, first, an impurity concentration higher than that of a semiconductor substrate is provided on the front surface of a semiconductor substrate made of a first conductivity type silicon carbide semiconductor (hereinafter referred to as a silicon carbide substrate). A low first conductivity type silicon carbide semiconductor layer is formed. Next, a general MOS gate (insulating gate made of metal-oxide film-semiconductor) structure and source electrode are formed on the surface side of the first conductivity type silicon carbide layer opposite to the silicon carbide substrate side. To do. Thereafter, a drain electrode is formed on the back surface of the silicon carbide substrate, thereby completing a vertical MOSFET.

このような縦型MOSFETでは、動作時に、ドリフト領域である第1導電型炭化珪素層のMOSゲート側の表面には高電界が集中する。このため、第1導電型炭化珪素層のMOSゲート側には、ゲート電極直下のベース領域間に挟まれた領域の不純物濃度をドリフト領域の不純物濃度よりも高くすることで、高電界に耐えられるJFET(Junction FET)領域が形成される。しかしながら、JFET領域は大きな抵抗成分となるためオン抵抗が大きくなり、スイッチング時の損失増加の原因となる。オン抵抗の低抵抗化を図った装置として、JFET領域の長さは、3μm以下であり、JFET領域の不純物密度は、ドリフト領域の不純物密度以上であって、1×1016/cm3以上である装置が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。 In such a vertical MOSFET, a high electric field concentrates on the MOS gate side surface of the first conductivity type silicon carbide layer, which is the drift region, during operation. For this reason, on the MOS gate side of the first conductivity type silicon carbide layer, it is possible to withstand a high electric field by making the impurity concentration of the region sandwiched between the base regions immediately below the gate electrode higher than the impurity concentration of the drift region. A JFET (Junction FET) region is formed. However, since the JFET region has a large resistance component, the on-resistance increases, causing an increase in loss during switching. As a device for reducing the on-resistance, the length of the JFET region is 3 μm or less, and the impurity density of the JFET region is equal to or higher than the impurity density of the drift region and is 1 × 10 16 / cm 3 or higher. An apparatus has been proposed (see, for example, Patent Document 1 below).

特開2011−159797号公報JP 2011-159797 A

しかしながら、上記特許文献1のようにJFET領域の不純物濃度を高くして低オン抵抗化を図る場合、JFET領域の不純物濃度を深さ方向に均一にすることで耐圧の低下をある程度抑制することができるが、JFET領域の不純物濃度の増加にともなう耐圧の低下は避けられない。   However, when the impurity concentration of the JFET region is increased to reduce the on-resistance as in Patent Document 1, the decrease in breakdown voltage can be suppressed to some extent by making the impurity concentration of the JFET region uniform in the depth direction. However, it is inevitable that the breakdown voltage decreases with increasing impurity concentration in the JFET region.

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、オン抵抗を低下させるとともに、耐圧の低下を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can reduce the on-resistance and suppress a decrease in breakdown voltage in order to solve the above-described problems caused by the prior art.

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、次の特徴を有する。炭化珪素半導体からなる第1導電型の半導体基板のおもて面に、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い炭化珪素半導体からなる第1導電型の第1半導体層が設けられている。前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い炭化珪素半導体からなる第1導電型の第2半導体層が設けられている。前記第2半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に、第2導電型の第1半導体領域が選択的に設けられている。前記第2半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に、前記第1半導体領域よりも不純物濃度の低い第2導電型の第2半導体領域が設けられている。前記第2半導体領域の内部に、第1導電型の第3半導体領域が選択的に設けられている。前記第2半導体領域を貫通して、前記第2半導体層の、前記第1半導体領域間に挟まれた部分に達する第4半導体領域が設けられている。前記第2半導体層の、前記第1半導体領域間に挟まれた部分に、前記第2半導体層および前記第4半導体領域よりも不純物濃度が高い第5半導体領域が設けられている。前記第2半導体領域の、前記第3半導体領域と前記第4半導体領域とに挟まれた部分の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極が設けられている。第1電極は、前記第2半導体領域および前記第3半導体領域に電気的に接続されている。第2電極は、前記半導体基板の裏面に設けられている。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following characteristics. A first conductive type first semiconductor layer made of a silicon carbide semiconductor having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate is provided on the front surface of the first conductive type semiconductor substrate made of a silicon carbide semiconductor. A first conductive type second semiconductor layer made of a silicon carbide semiconductor having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer is provided on a surface of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. . A second conductivity type first semiconductor region is selectively provided in a surface layer of the second semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. A second conductivity type second semiconductor region having an impurity concentration lower than that of the first semiconductor region is provided on a surface of the second semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. A third semiconductor region of the first conductivity type is selectively provided inside the second semiconductor region. A fourth semiconductor region that penetrates through the second semiconductor region and reaches a portion of the second semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor regions is provided. A fifth semiconductor region having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer and the fourth semiconductor region is provided in a portion of the second semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor regions. A gate electrode provided via a gate insulating film is provided on the surface of the portion of the second semiconductor region sandwiched between the third semiconductor region and the fourth semiconductor region. The first electrode is electrically connected to the second semiconductor region and the third semiconductor region. The second electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate.

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5半導体領域の厚さは、前記第1半導体領域の厚さよりも薄いことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the thickness of the fifth semiconductor region is thinner than the thickness of the first semiconductor region.

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半導体層の不純物濃度は1×1016/cm3以上であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the impurity concentration of the second semiconductor layer is 1 × 10 16 / cm 3 or more.

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半導体層の不純物濃度は4×1016/cm3未満であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the impurity concentration of the second semiconductor layer is less than 4 × 10 16 / cm 3 .

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半導体層の厚さは1μm以上であることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the thickness of the second semiconductor layer is 1 μm or more.

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半導体層の厚さは4μm以下であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the thickness of the second semiconductor layer is 4 μm or less.

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半導体層は、エピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル層であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the second semiconductor layer is an epitaxial layer formed by epitaxial growth.

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、前記半導体基板のおもて面は、(000−1)面に平行な面または(000−1)面に対して10度以下に傾いた面であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the front surface of the semiconductor substrate is inclined at 10 degrees or less with respect to a plane parallel to the (000-1) plane or the (000-1) plane. It is characterized by a flat surface.

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、前記半導体基板のおもて面は、(0001)面に平行な面または(0001)面に対して10度以下に傾いた面であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the front surface of the semiconductor substrate is a plane parallel to the (0001) plane or a plane tilted to 10 degrees or less with respect to the (0001) plane. It is characterized by that.

上述した発明によれば、JFET領域のn型不純物濃度を、n型ドリフト領域のドレイン側の不純物濃度よりも高くすることができるため、オン抵抗を低減させることができる。また、上述した発明によれば、JFET領域のうち、隣り合うp+型ベース領域間に挟まれた部分のn型不純物濃度をさらに高くすることで、最も電界の集中するp+型ベース領域のJFET領域側の下側コーナー部(ドレイン側コーナー部)付近の電界を緩和することができるため、さらにオン抵抗を低減させることができる。 According to the above-described invention, since the n-type impurity concentration in the JFET region can be made higher than the impurity concentration on the drain side of the n-type drift region, the on-resistance can be reduced. Further, according to the above-described invention, the n-type impurity concentration in the portion sandwiched between adjacent p + -type base regions in the JFET region is further increased, so that the p + -type base region where the electric field is most concentrated is obtained. Since the electric field near the lower corner portion (drain side corner portion) on the JFET region side can be relaxed, the on-resistance can be further reduced.

本発明にかかる半導体装置によれば、オン抵抗を低下させるとともに、耐圧の低下を抑制することができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to reduce the on-resistance and to suppress the decrease in breakdown voltage.

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device concerning embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state in the middle of manufacture of the silicon carbide semiconductor device concerning embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state in the middle of manufacture of the silicon carbide semiconductor device concerning embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state in the middle of manufacture of the silicon carbide semiconductor device concerning embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state in the middle of manufacture of the silicon carbide semiconductor device concerning embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state in the middle of manufacture of the silicon carbide semiconductor device concerning embodiment. 実施例にかかる炭化珪素半導体装置の耐圧特性およびオン抵抗特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the pressure | voltage resistance characteristic and on-resistance characteristic of the silicon carbide semiconductor device concerning an Example. 実施例にかかる炭化珪素半導体装置の耐圧特性およびオン抵抗特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the pressure | voltage resistance characteristic and on-resistance characteristic of the silicon carbide semiconductor device concerning an Example.

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。また、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。   Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted. In the Miller index notation, “−” means a bar attached to the index immediately after that, and “−” is added before the index to indicate a negative index.

(実施の形態)
本発明にかかる半導体装置は、シリコン(Si)半導体よりもバンドギャップの広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)を用いて構成される。実施の形態においては、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)半導体を用いた炭化珪素半導体装置の構成について、MOSFET(以下、炭化珪素MOSFETとする)を例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。図1に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、n+型炭化珪素基板(半導体基板)1の主面上に第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層(第1,2半導体層)2a,2bを順に積層してなる炭化珪素エピタキシャル基板(半導体チップ)を用いて構成される。
(Embodiment)
The semiconductor device according to the present invention is configured using a semiconductor having a wider band gap than a silicon (Si) semiconductor (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor). In the embodiment, a configuration of a silicon carbide semiconductor device using, for example, a silicon carbide (SiC) semiconductor as a wide band gap semiconductor will be described by taking a MOSFET (hereinafter referred to as a silicon carbide MOSFET) as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment includes first and second n-type silicon carbide epitaxial layers (first and second semiconductor layers) on a main surface of an n + -type silicon carbide substrate (semiconductor substrate) 1. ) 2a and 2b are stacked in this order to form a silicon carbide epitaxial substrate (semiconductor chip).

+型炭化珪素基板1は、例えば窒素(N)がドーピングされた炭化珪素単結晶基板であり、n+型ドレイン層を構成する。n+型炭化珪素基板1の主面(おもて面)は、例えば、(000−1)面、または、<11−20>方向に10度以下程度のオフ角を有する(000−1)面であってもよい。第1n型炭化珪素エピタキシャル層2aは、n+型炭化珪素基板1よりも低い不純物濃度で例えば窒素がドーピングされてなるn型ドリフト領域である。第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bは、第1n型炭化珪素エピタキシャル層2aよりも高い不純物濃度で例えば窒素がドーピングされてなるn型ドリフト領域である。 The n + type silicon carbide substrate 1 is a silicon carbide single crystal substrate doped with, for example, nitrogen (N), and constitutes an n + type drain layer. The main surface (front surface) of n + -type silicon carbide substrate 1 has, for example, a (000-1) plane or an off angle of about 10 degrees or less in the <11-20> direction (000-1). It may be a surface. First n-type silicon carbide epitaxial layer 2a is an n-type drift region formed by doping, for example, nitrogen with an impurity concentration lower than that of n + -type silicon carbide substrate 1. Second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is an n-type drift region formed by doping, for example, nitrogen with a higher impurity concentration than first n-type silicon carbide epitaxial layer 2a.

不純物濃度の異なる第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層2a,2bからなるn型ドリフト領域を構成する理由は、次の通りである。第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度を第1n型炭化珪素エピタキシャル層2aの不純物濃度よりも高くすることにより、n型ドリフト領域の、ソース側の不純物濃度をドレイン側の不純物濃度よりも高くすることができる。これにより、n型ドリフト領域の、後述するベース領域間に挟まれた領域(JFET領域)のn型不純物濃度を高くすることができるため、オン抵抗を低減させることができるからである。   The reason why the n-type drift region composed of the first and second n-type silicon carbide epitaxial layers 2a and 2b having different impurity concentrations is configured is as follows. By making the impurity concentration of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b higher than the impurity concentration of first n-type silicon carbide epitaxial layer 2a, the impurity concentration on the source side of the n-type drift region is made higher than the impurity concentration on the drain side. can do. This is because the n-type impurity concentration in a region (JFET region) sandwiched between base regions described later in the n-type drift region can be increased, and the on-resistance can be reduced.

また、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bをエピタキシャル成長によって形成する理由は、次の通りである。第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bのJFET領域には後述するようにn型高濃度領域2cが形成される。このn型高濃度領域2cはイオン注入によって形成されるため、n型高濃度領域2cの厚さ(深さ)t2がn型高濃度領域2cの不純物濃度に律速して限定されるからである。そこで、エピタキシャル成長によって第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bを形成して寸法精度よくJFET領域を配置する。これによって、JFET領域の深さに対してn型高濃度領域2cを所定の深さで形成することができる。また、数MeVでイオン注入すると大きなエネルギーによる衝突により結晶性が破壊され特性に影響を与える。   The reason why second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is formed by epitaxial growth is as follows. As will be described later, n-type high concentration region 2c is formed in the JFET region of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b. This is because the n-type high concentration region 2c is formed by ion implantation, and thus the thickness (depth) t2 of the n-type high concentration region 2c is limited and limited to the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c. . Therefore, the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is formed by epitaxial growth, and the JFET region is arranged with high dimensional accuracy. Thereby, the n-type high concentration region 2c can be formed with a predetermined depth with respect to the depth of the JFET region. In addition, when ions are implanted at several MeV, crystallinity is destroyed by impact due to large energy, and the characteristics are affected.

第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度は、1×1016/cm3以上4×1016/cm3未満程度であることが好ましい。その理由は、次の通りである。第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度を1×1016/cm3以上とすることにより、JFET領域の完全空乏化を防ぎオン抵抗の増大を防ぐことができるからである。第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度を4×1016/cm3よりも低くするほど、耐圧の低下を抑制することができるからである。 The impurity concentration of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is preferably about 1 × 10 16 / cm 3 or more and less than 4 × 10 16 / cm 3 . The reason is as follows. This is because by setting the impurity concentration of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b to 1 × 10 16 / cm 3 or more, complete depletion of the JFET region can be prevented and an increase in on-resistance can be prevented. This is because the lowering of the breakdown voltage can be suppressed as the impurity concentration of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is lower than 4 × 10 16 / cm 3 .

第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの厚さt0は、1μm以上4μm以下程度であることが好ましい。その理由は、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの厚さt0が1μm未満であるとオン抵抗が増加し、4μmより厚いと耐圧が低下するからである。以下、n+型炭化珪素基板1単体、またはn+型炭化珪素基板1上に第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層2a,2b順に積層してなる炭化珪素エピタキシャル基板を炭化珪素半導体基体とする。ここでは、n+型炭化珪素基板1上に第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層2a,2bを積層してなる炭化珪素エピタキシャル基板を炭化珪素半導体基体とする場合を例に説明する。 Thickness t0 of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is preferably about 1 μm to 4 μm. This is because the on-resistance increases when the thickness t0 of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is less than 1 μm, and the breakdown voltage decreases when the thickness is greater than 4 μm. Hereinafter, the silicon carbide epitaxial substrate formed by laminating the n + type silicon carbide substrate 1 alone or the first and second n type silicon carbide epitaxial layers 2a and 2b in this order on the n + type silicon carbide substrate 1 will be referred to as a silicon carbide semiconductor substrate. Here, an example will be described in which a silicon carbide epitaxial substrate formed by laminating first and second n-type silicon carbide epitaxial layers 2a and 2b on n + type silicon carbide substrate 1 is used as a silicon carbide semiconductor substrate.

炭化珪素半導体基体上には、活性領域101と、活性領域101の周囲を囲む耐圧構造部102とが設けられている。活性領域101は、オン状態のときに電流が流れる領域である。耐圧構造部102は、炭化珪素半導体基体のおもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。活性領域101において、炭化珪素半導体基体のおもて面側(第2n型炭化珪素エピタキシャル層2b側)には、例えばプレーナゲート型のMOSゲート構造(素子構造)が設けられている。MOSゲート構造は、p+型ベース領域(第1半導体領域)3、p型ベース領域(第2半導体領域)4、n+型ソース領域(第3半導体領域)6、p+型コンタクト領域7、ゲート絶縁膜9およびゲート電極10からなる。 On the silicon carbide semiconductor substrate, an active region 101 and a pressure-resistant structure portion 102 surrounding the periphery of the active region 101 are provided. The active region 101 is a region through which current flows when in the on state. The breakdown voltage structure portion 102 is a region that relaxes the electric field on the front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate and maintains the breakdown voltage. In the active region 101, for example, a planar gate type MOS gate structure (element structure) is provided on the front surface side (the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b side) of the silicon carbide semiconductor substrate. The MOS gate structure includes a p + type base region (first semiconductor region) 3, a p type base region (second semiconductor region) 4, an n + type source region (third semiconductor region) 6, a p + type contact region 7, It consists of a gate insulating film 9 and a gate electrode 10.

具体的には、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体のおもて面側)の表面層には、p+型ベース領域3が選択的に設けられている。p+型ベース領域3は、例えばアルミニウム(Al)がドーピングされてなる。第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの、隣り合うp+型ベース領域3間に挟まれた領域(すなわちJFET領域)には、n型高濃度領域(第5半導体領域)2cが設けられている。n型高濃度領域2cは、第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層2a,2bとともにn型ドリフト領域を構成する。 Specifically, the surface layer of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b opposite to the n + -type silicon carbide substrate 1 side (the front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate) has a p + -type base. Region 3 is selectively provided. The p + type base region 3 is doped with, for example, aluminum (Al). An n-type high concentration region (fifth semiconductor region) 2c is provided in a region (that is, a JFET region) sandwiched between adjacent p + -type base regions 3 of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b. N-type high concentration region 2c constitutes an n-type drift region together with first and second n-type silicon carbide epitaxial layers 2a and 2b.

n型高濃度領域2cの不純物濃度は、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bおよび後述するn型ウェル領域(第4半導体領域)8の不純物濃度よりも高い。n型高濃度領域2cを設けることで、隣り合うベース領域(p+型ベース領域3および後述するp型ベース領域4)間に挟まれたJFET領域のうち、最も電界の集中するp+型ベース領域3側の部分のn型不純物濃度を高くすることができる。これにより、耐圧の低下を抑制することができる。n型高濃度領域2cの厚さ(基体おもて面からの深さ)t2は、p+型ベース領域3の厚さt3よりも薄いことが好ましい(t2<t3)。その理由は、n型高濃度領域2cの厚さt2をp+型ベース領域3の厚さt3よりも厚くした場合、耐圧の低下を抑制する効果が得られないからである。 The impurity concentration of n type high concentration region 2c is higher than the impurity concentration of second n type silicon carbide epitaxial layer 2b and n type well region (fourth semiconductor region) 8 described later. By providing the n-type high-concentration region 2c, (p-type base region 4 below 3 and the p + -type base region) base region adjacent of the JFET region sandwiched between, the p + -type base for most field concentration The n-type impurity concentration in the portion on the region 3 side can be increased. Thereby, the fall of a proof pressure can be suppressed. The thickness (depth from the substrate front surface) t2 of the n-type high concentration region 2c is preferably smaller than the thickness t3 of the p + -type base region 3 (t2 <t3). The reason is that when the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is made thicker than the thickness t3 of the p + -type base region 3, the effect of suppressing a decrease in breakdown voltage cannot be obtained.

具体的には、n型高濃度領域2cの厚さt2をp+型ベース領域3の厚さt3よりも厚くした場合、次の問題が生じる。n型高濃度領域2cは後述するようにイオン注入によって形成される。このため、n型高濃度領域2cの厚さt2をp+型ベース領域3の厚さt3よりも厚くした場合、横方向(深さ方向と直交する方向)の拡散によりp+型ベース領域3のドレイン側に回り込むようにn型高濃度領域2cが形成される。これによって、最も電界の集中するp+型ベース領域3のJFET領域側の下側コーナー部(ドレイン側コーナー部)がn型高濃度領域2cに覆われるため、n型高濃度領域2cの不純物濃度を高いことにともなって耐圧が急激に低下する。 Specifically, when the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is made larger than the thickness t3 of the p + -type base region 3, the following problem occurs. The n-type high concentration region 2c is formed by ion implantation as will be described later. Thus, n-type if the thickness t2 of the high concentration region 2c made thicker than the thickness t3 of the p + -type base region 3, the lateral p + type base region 3 by diffusion of (direction perpendicular to the depth direction) An n-type high concentration region 2c is formed so as to go around to the drain side. As a result, the lower corner portion (drain side corner portion) of the p + type base region 3 where the electric field is most concentrated is covered with the n type high concentration region 2c, so that the impurity concentration of the n type high concentration region 2c is covered. As the voltage increases, the withstand voltage decreases rapidly.

第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面には、p型ベース領域4となるp型炭化珪素エピタキシャル層が堆積されている。p型ベース領域4は、活性領域101から活性領域101と耐圧構造部102との境界付近にまで延在している。p型ベース領域4の不純物濃度は、p+型ベース領域3の不純物濃度よりも低い。p型ベース領域4は、例えばアルミニウムがドーピングされてなる。p型ベース領域4の、p+型ベース領域3に対向する部分には、n+型ソース領域6およびp+型コンタクト領域7が選択的に設けられている。 A p-type silicon carbide epitaxial layer serving as p-type base region 4 is deposited on the surface of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b opposite to the n + -type silicon carbide substrate 1 side. The p-type base region 4 extends from the active region 101 to the vicinity of the boundary between the active region 101 and the breakdown voltage structure 102. The impurity concentration of the p-type base region 4 is lower than the impurity concentration of the p + -type base region 3. For example, the p-type base region 4 is doped with aluminum. An n + type source region 6 and a p + type contact region 7 are selectively provided in a portion of the p type base region 4 facing the p + type base region 3.

+型ソース領域6は、p型ベース領域4の、後述するn型ウェル領域8寄りに配置されている。p+型コンタクト領域7は、n+型ソース領域6よりもp型ベース領域4の中央付近に配置されている。n+型ソース領域6およびp+型コンタクト領域7は互いに接する。p+型コンタクト領域7は、深さ方向にp型ベース領域4を貫通してp+型ベース領域3に達する深さで設けられていてもよい。p型ベース領域4の、n型高濃度領域2cに対向する部分には、深さ方向にp型ベース領域4を貫通して第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bに達するn型ウェル領域8が設けられている。 The n + -type source region 6 is arranged near the n-type well region 8 described later in the p-type base region 4. The p + type contact region 7 is arranged near the center of the p type base region 4 than the n + type source region 6. The n + type source region 6 and the p + type contact region 7 are in contact with each other. The p + -type contact region 7 may be provided at a depth that penetrates the p-type base region 4 in the depth direction and reaches the p + -type base region 3. An n-type well region 8 that penetrates the p-type base region 4 in the depth direction and reaches the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is provided in a portion of the p-type base region 4 that faces the n-type high concentration region 2c. It has been.

すなわち、n型ウェル領域8は、隣り合うp型ベース領域4間に挟まれた領域(すなわちJFET領域)に設けられている。このため、n型ウェル領域8を設けることによって、隣り合うベース領域(p+型ベース領域3およびp型ベース領域4)間に挟まれたJFET領域のn型不純物濃度をさらに高くすることができ、さらにオン抵抗化を図ることができる。n型ウェル領域8の幅(主電流が流れる方向の幅)w1は、例えばn型高濃度領域2cの幅w2よりも広くてもよい。n型ウェル領域8は、第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層2a,2bとともにn型ドリフト領域を構成する。n型ウェル領域8は、n型高濃度領域2cに接していてもよい。 That is, the n-type well region 8 is provided in a region sandwiched between adjacent p-type base regions 4 (that is, a JFET region). Therefore, by providing the n-type well region 8, the n-type impurity concentration of the JFET region sandwiched between adjacent base regions (p + -type base region 3 and p-type base region 4) can be further increased. Further, the on-resistance can be further increased. The width (width in the direction in which the main current flows) w1 of the n-type well region 8 may be wider than, for example, the width w2 of the n-type high concentration region 2c. N type well region 8 forms an n type drift region together with first and second n type silicon carbide epitaxial layers 2a and 2b. The n-type well region 8 may be in contact with the n-type high concentration region 2c.

n型ウェル領域8の不純物濃度は、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度よりも高く、かつn型高濃度領域2cの不純物濃度よりも低い。また、不純物濃度に分布がある場合はn型ウェル領域8の不純物濃度の平均がn型高濃度領域2cの不純物濃度の最大値よりも低くてもよい。その理由は、次の通りである。n型高濃度領域2cを設けることにより、隣り合うベース領域(p+型ベース領域3およびp型ベース領域4)間に挟まれたJFET領域のうち、p+型ベース領域3間に挟まれた部分の不純物濃度が高くなる。これによって、n型ウェル領域8を設けたことによって得られる低オン抵抗を維持した状態で、耐圧の低下を抑制することができるからである。 The impurity concentration of n type well region 8 is higher than the impurity concentration of second n type silicon carbide epitaxial layer 2b and lower than the impurity concentration of n type high concentration region 2c. When the impurity concentration is distributed, the average impurity concentration of the n-type well region 8 may be lower than the maximum value of the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c. The reason is as follows. By providing the n-type high concentration region 2c, it is sandwiched between the p + -type base regions 3 among the JFET regions sandwiched between the adjacent base regions (p + -type base region 3 and p-type base region 4). The impurity concentration of the portion becomes high. This is because a decrease in breakdown voltage can be suppressed while maintaining the low on-resistance obtained by providing the n-type well region 8.

p型ベース領域4の、n+型ソース領域6とn型ウェル領域8とに挟まれた部分の表面には、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が設けられている。ゲート電極10は、ゲート絶縁膜9を介して、n型ウェル領域8の表面にわたって設けられていてもよい。図1には、活性領域101の1つの単位セル(素子の機能単位)を構成する1つのMOSゲート構造を示すが、この単位セルに隣接するように並列に複数の単位セル(不図示)が配置されていてもよい。ゲート電極10の上には、炭化珪素半導体基体のおもて面側の全面に、ゲート電極10を覆うように層間絶縁膜11が設けられている。層間絶縁膜11を深さ方向に貫通するコンタクトホールには、n+型ソース領域6およびp+型コンタクト領域7が露出されている。 A gate electrode 10 is provided on the surface of the portion of the p-type base region 4 sandwiched between the n + -type source region 6 and the n-type well region 8 via a gate insulating film 9. The gate electrode 10 may be provided over the surface of the n-type well region 8 via the gate insulating film 9. FIG. 1 shows one MOS gate structure constituting one unit cell (functional unit of an element) of the active region 101. A plurality of unit cells (not shown) are arranged in parallel so as to be adjacent to this unit cell. It may be arranged. On gate electrode 10, interlayer insulating film 11 is provided on the entire front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate so as to cover gate electrode 10. In the contact hole that penetrates the interlayer insulating film 11 in the depth direction, the n + type source region 6 and the p + type contact region 7 are exposed.

ソース電極(第1電極)12は、コンタクトホール内に設けられ、コンタクトホールに露出するn+型ソース領域6およびp+型コンタクト領域7に接する。また、ソース電極12は、層間絶縁膜11によってゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極12および層間絶縁膜11上には、おもて面電極パッド13が設けられている。おもて面電極パッド13は、活性領域101のほぼ全体に設けられている。おもて面電極パッド13の端部は、耐圧構造部102の層間絶縁膜11上に延在し、耐圧構造部102の、活性領域101との境界付近で終端している。 The source electrode (first electrode) 12 is provided in the contact hole, and is in contact with the n + type source region 6 and the p + type contact region 7 exposed in the contact hole. The source electrode 12 is electrically insulated from the gate electrode 10 by the interlayer insulating film 11. A front electrode pad 13 is provided on the source electrode 12 and the interlayer insulating film 11. The front surface electrode pad 13 is provided on almost the entire active region 101. The end portion of the front electrode pad 13 extends on the interlayer insulating film 11 of the breakdown voltage structure portion 102 and terminates in the vicinity of the boundary between the breakdown voltage structure portion 102 and the active region 101.

耐圧構造部102において、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体のおもて面側)の表面層には、第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bが設けられている。第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bは、ダブルゾーンJTE(Junction Termination Extension)構造を構成する。ダブルゾーンJTE構造とは、不純物濃度の異なる2つのp型領域が接するように横方向に並列された構成のJTE構造である。 In the breakdown voltage structure 102, the first p is formed on the surface layer of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2 b opposite to the n + -type silicon carbide substrate 1 side (the front surface side of the silicon carbide semiconductor substrate). A mold region 5a and a second p - type region 5b are provided. The first p type region 5a and the second p type region 5b constitute a double zone JTE (Junction Termination Extension) structure. The double zone JTE structure is a JTE structure having a configuration in which two p-type regions having different impurity concentrations are arranged in parallel so as to contact each other.

具体的には、第1p-型領域5aは、最も耐圧構造部102側の単位セルを構成するp+型ベース領域3に接し、活性領域101の周囲を囲む。第2p--型領域5bは、第1p-型領域5aの外側(チップ外周側)の端部に接し、第1p-型領域5aの周囲を囲む。すなわち、活性領域101側から耐圧構造部102側に向って、p+型ベース領域3、第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bの順に並列に配置されている。第1p-型領域5aの不純物濃度は、p+型ベース領域3の不純物濃度よりも低い。第2p--型領域5bの不純物濃度は、第1p-型領域5aの不純物濃度よりも低い。 Specifically, the first p type region 5 a is in contact with the p + type base region 3 that constitutes the unit cell closest to the breakdown voltage structure 102, and surrounds the active region 101. The 2p - type region 5b is a 1p - contact with the outer end of the mold region 5a (chip outer peripheral side), the 1p - surround type region 5a. That is, the p + type base region 3, the first p type region 5 a, and the second p type region 5 b are arranged in parallel from the active region 101 side toward the breakdown voltage structure 102 side. The impurity concentration of the first p type region 5 a is lower than the impurity concentration of the p + type base region 3. The 2p - impurity concentration type region 5b is a 1p - lower than the impurity concentration type region 5a.

第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5b上には、層間絶縁膜11が設けられている。第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bは、層間絶縁膜11によって活性領域101の素子構造と電気的に絶縁されている。層間絶縁膜11上には、耐圧構造部102のほぼ全体を覆うように、例えばポリイミドからなるパッシベーション膜などの保護膜14が設けられている。保護膜14は、放電防止の機能を有する。保護膜14の端部は、おもて面電極パッド13上に延在し、おもて面電極パッド13の端部を覆う。 An interlayer insulating film 11 is provided on the first p type region 5a and the second p type region 5b. The first p type region 5 a and the second p type region 5 b are electrically insulated from the element structure of the active region 101 by the interlayer insulating film 11. A protective film 14 such as a passivation film made of polyimide, for example, is provided on the interlayer insulating film 11 so as to cover almost the entire breakdown voltage structure 102. The protective film 14 has a function of preventing discharge. The end portion of the protective film 14 extends on the front electrode pad 13 and covers the end portion of the front electrode pad 13.

+型炭化珪素基板1の、n型炭化珪素エピタキシャル層2側に対して反対側の表面(炭化珪素半導体基体の裏面)には、裏面電極(第2電極)15が設けられている。裏面電極15は、ドレイン電極を構成する。裏面電極15の表面には、裏面電極パッド16が設けられている。 A back electrode (second electrode) 15 is provided on the surface of n + type silicon carbide substrate 1 opposite to the n type silicon carbide epitaxial layer 2 side (the back surface of the silicon carbide semiconductor substrate). The back electrode 15 constitutes a drain electrode. A back electrode pad 16 is provided on the surface of the back electrode 15.

次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、例えば1200Vの耐圧クラスのMOSFETを作成する場合を例に説明する。図2〜6は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。まず、例えば2×1018/cm3程度の不純物濃度で窒素がドーピングされたn+型炭化珪素基板(半導体ウエハ)1を用意する。n+型炭化珪素基板1の主面は、例えば<11−20>方向に4度程度のオフ角を有する(000−1)面であってもよい。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment will be described by taking as an example the case of creating a MOSFET with a withstand voltage class of 1200 V, for example. FIGS. 2-6 is sectional drawing which shows typically the state in the middle of manufacture of the silicon carbide semiconductor device concerning Embodiment. First, an n + type silicon carbide substrate (semiconductor wafer) 1 doped with nitrogen at an impurity concentration of about 2 × 10 18 / cm 3 is prepared. The main surface of n + type silicon carbide substrate 1 may be, for example, a (000-1) plane having an off angle of about 4 degrees in the <11-20> direction.

次に、n+型炭化珪素基板1の(000−1)面上に、例えば、8.0×1015/cm3程度の不純物濃度で窒素がドーピングされた厚さ8μm程度の第1n型炭化珪素エピタキシャル層2aを成長させる。さらに、第1n型炭化珪素エピタキシャル層2aの表面上に、例えば、3.0×1016/cm3程度の不純物濃度で窒素がドーピングされた厚さ2μm程度の第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bを成長させる。ここまでの状態が図2に示されている。 Next, on the (000-1) plane of the n + -type silicon carbide substrate 1, for example, a first n-type carbonization having a thickness of about 8 μm doped with nitrogen at an impurity concentration of about 8.0 × 10 15 / cm 3 is performed. A silicon epitaxial layer 2a is grown. Further, on the surface of the first n-type silicon carbide epitaxial layer 2a, for example, a second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b having a thickness of about 2 μm doped with nitrogen at an impurity concentration of about 3.0 × 10 16 / cm 3 is formed. Grow. The state up to this point is shown in FIG.

次に、n型炭化珪素エピタキシャル層2上に酸化膜(不図示)を堆積(形成)する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、p+型ベース領域3の形成領域に対応する部分の酸化膜を除去する。次に、この酸化膜の残部をマスクとしてイオン注入を行い、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの表面層に、p+型ベース領域3を選択的に形成する。p+型ベース領域3を形成するためのイオン注入は、例えば、ドーパントをアルミニウムとし、p+型ベース領域3の不純物濃度が3.0×1018/cm3程度となるようにドーズ量を設定してもよい。p+型ベース領域3の幅w3および厚さt3は、例えば、それぞれ13μm程度および0.5μm程度であってもよい。隣り合うp+型ベース領域3間の距離(のちの工程で形成されるn型高濃度領域2cの幅w2)は、例えば1.6μm程度であってもよい。 Next, an oxide film (not shown) is deposited (formed) on n-type silicon carbide epitaxial layer 2. Next, a portion of the oxide film corresponding to the formation region of the p + type base region 3 is removed by photolithography and etching. Next, ion implantation is performed using the remaining portion of the oxide film as a mask to selectively form p + -type base region 3 on the surface layer of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b. In the ion implantation for forming the p + -type base region 3, for example, the dopant is aluminum and the dose is set so that the impurity concentration of the p + -type base region 3 is about 3.0 × 10 18 / cm 3. May be. For example, the width w3 and the thickness t3 of the p + -type base region 3 may be about 13 μm and about 0.5 μm, respectively. The distance between adjacent p + -type base regions 3 (the width w2 of the n-type high concentration region 2c formed in a later process) may be about 1.6 μm, for example.

次に、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの表面に、p型ベース領域4となるp型炭化珪素エピタキシャル層を例えば0.5μmの厚さt1で成長させる。このとき、例えば、p型ベース領域4の不純物濃度が5.0×1015/cm3となるようにアルミニウムがドーピングされたp型炭化珪素エピタキシャル層を成長させてもよい。以降、n+型炭化珪素基板1および第1,2n型炭化珪素エピタキシャル層2a,2bからなる炭化珪素エピタキシャル基板上のp型炭化珪素エピタキシャル層も含めて、炭化珪素半導体基体とする。ここまでの状態が図3に示されている。 Next, a p-type silicon carbide epitaxial layer to be the p-type base region 4 is grown on the surface of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b with a thickness t1 of 0.5 μm, for example. At this time, for example, a p-type silicon carbide epitaxial layer doped with aluminum may be grown so that the impurity concentration of the p-type base region 4 is 5.0 × 10 15 / cm 3 . Hereinafter, the silicon carbide semiconductor substrate including the p-type silicon carbide epitaxial layer on the silicon carbide epitaxial substrate composed of the n + type silicon carbide substrate 1 and the first and second n-type silicon carbide epitaxial layers 2a and 2b is used. The state up to here is shown in FIG.

次に、p型炭化珪素エピタキシャル層上に、活性領域101を覆うレジストマスク(不図示)を形成する。次に、このレジストマスクをマスクとしてエッチングを行い、耐圧構造部102におけるp型炭化珪素エピタキシャル層(p型ベース領域4)を例えば0.7μm程度の深さで除去し、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bを露出させる。そして、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bのエッチングに用いたレジストマスクを除去する。ここまでの状態が図4に示されている。   Next, a resist mask (not shown) that covers active region 101 is formed on the p-type silicon carbide epitaxial layer. Next, etching is performed using this resist mask as a mask, and the p-type silicon carbide epitaxial layer (p-type base region 4) in the pressure-resistant structure 102 is removed at a depth of, for example, about 0.7 μm, and the second n-type silicon carbide epitaxial is removed. Layer 2b is exposed. Then, the resist mask used for etching the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is removed. The state up to this point is shown in FIG.

次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入により、エッチングによって露出した第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの表面層に、第1p-型領域5aを選択的に形成する。第1p-型領域5aを形成するためのイオン注入は、例えば、ドーパントをアルミニウムとし、ドーズ量を2.0×1013/cm2としてもよい。次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入により、エッチングによって露出した第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの表面層に、第2p--型領域5bを選択的に形成する。第2p--型領域5bを形成するためのイオン注入は、例えば、ドーパントをアルミニウムとし、ドーズ量を1.0×1013/cm2としてもよい。 Next, first p -type region 5a is selectively formed on the surface layer of second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b exposed by etching by photolithography and ion implantation. In the ion implantation for forming the first p -type region 5a, for example, the dopant may be aluminum and the dose may be 2.0 × 10 13 / cm 2 . Next, the second p -type region 5b is selectively formed on the surface layer of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b exposed by etching by photolithography and ion implantation. The 2p - ion implantation for forming the mold region 5b is, for example, the dopant is aluminum, the dose may be 1.0 × 10 13 / cm 2.

次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入によって、p型ベース領域4の、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bに対向する部分の導電型を反転させて、n型ウェル領域8を選択的に形成する。このとき、n型ウェル領域8の形成と同時に、n型ウェル領域8の直下(第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの、n型ウェル領域8に対向する部分)にn型高濃度領域2cを形成する。n型高濃度領域2cは、n型ウェル領域8を形成するためのイオン注入よりも高い加速エネルギーでのイオン注入によって形成すればよい。具体的には、例えば、加速エネルギーの異なる複数段のイオン注入(多段イオン注入)により深さ方向の不純物濃度分布を制御することによってn型ウェル領域8およびn型高濃度領域2cを形成してもよい。   Next, the n-type well region 8 is selectively formed by inverting the conductivity type of the portion of the p-type base region 4 facing the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b by photolithography and ion implantation. At this time, simultaneously with the formation of the n-type well region 8, the n-type high concentration region 2c is formed immediately below the n-type well region 8 (a portion of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b facing the n-type well region 8). To do. The n-type high concentration region 2c may be formed by ion implantation with higher acceleration energy than ion implantation for forming the n-type well region 8. Specifically, for example, the n-type well region 8 and the n-type high concentration region 2c are formed by controlling the impurity concentration distribution in the depth direction by multiple-stage ion implantation (multi-stage ion implantation) with different acceleration energies. Also good.

より具体的には、n型ウェル領域8およびn型高濃度領域2cを形成するための多段イオン注入においては、例えば、ドーパントを窒素とし、n型ウェル領域8の不純物濃度が3.0×1016/cm3となるようにドーズ量を設定してもよい。この場合、特に限定しないが例えば9段の多段イオン注入とし、9段の各イオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ次のように設定してもよい。1段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ600keVおよび5.5×1011個/cm2とする。2段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ460keVおよび3.7×1011個/cm2とする。3段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ360keVおよび2.7×1011個/cm2とする。4段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ300keVおよび2.2×1011個/cm2とする。5段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ240keVおよび2.7×1011個/cm2とする。6段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ180keVおよび2.5×1011個/cm2とする。7段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ130keVおよび3×1011個/cm2とする。8段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ80keVおよび2.5×1011個/cm2とする。9段目のイオン注入の加速エネルギーおよびドーピング濃度をそれぞれ40keVおよび2×1011個/cm2とする。これら9段のイオン注入を行う順序は種々変更可能である。n型ウェル領域8の幅w1および厚さt1は、例えば、それぞれ2.0μmおよび0.5μmであってもよい。n型高濃度領域2cの幅w2は例えば1.6μmであってもよい。 More specifically, in the multi-stage ion implantation for forming the n-type well region 8 and the n-type high concentration region 2c, for example, the dopant is nitrogen and the impurity concentration of the n-type well region 8 is 3.0 × 10. The dose may be set to be 16 / cm 3 . In this case, although not particularly limited, for example, nine stages of multi-stage ion implantation may be used, and the acceleration energy and doping concentration of each of the nine stages of ion implantation may be set as follows. The acceleration energy and doping concentration of the first-stage ion implantation are 600 keV and 5.5 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and doping concentration of the second-stage ion implantation are set to 460 keV and 3.7 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and doping concentration of the third-stage ion implantation are set to 360 keV and 2.7 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and the doping concentration of the fourth-stage ion implantation are 300 keV and 2.2 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and the doping concentration of the fifth-stage ion implantation are 240 keV and 2.7 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and doping concentration of the sixth-stage ion implantation are 180 keV and 2.5 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and doping concentration of the seventh-stage ion implantation are 130 keV and 3 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and doping concentration of the eighth stage ion implantation are set to 80 keV and 2.5 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The acceleration energy and the doping concentration of the ninth stage ion implantation are 40 keV and 2 × 10 11 ions / cm 2 , respectively. The order of performing these nine stages of ion implantation can be variously changed. The width w1 and the thickness t1 of the n-type well region 8 may be, for example, 2.0 μm and 0.5 μm, respectively. The width w2 of the n-type high concentration region 2c may be 1.6 μm, for example.

以上の9段の多段イオン注入の例においては、p型ベース領域4の表面から深さ方向に増加する不純物濃度分布を有し、かつ3.5×1016/cm3の平均不純物濃度を有するn型領域がp型ベース領域4の表面から0.75μmの厚さ(深さ)で形成される。このため、n型高濃度領域2cの不純物濃度および厚さt2はそれぞれ6.5×1016/cm3および0.25μmとなる。すなわち、9段の多段イオン注入によって形成される上記n型領域の、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2b内にあたる部分(p型ベース領域4の表面から0.5μmから0.75μmまでの深さの部分)がn型高濃度領域2cとなる。 In the above-described nine-stage multi-stage ion implantation example, the impurity concentration distribution increases in the depth direction from the surface of the p-type base region 4 and has an average impurity concentration of 3.5 × 10 16 / cm 3. The n-type region is formed with a thickness (depth) of 0.75 μm from the surface of the p-type base region 4. Therefore, the impurity concentration and the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c are 6.5 × 10 16 / cm 3 and 0.25 μm, respectively. That is, the portion corresponding to the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b of the n-type region formed by nine-stage multi-stage ion implantation (with a depth of 0.5 μm to 0.75 μm from the surface of the p-type base region 4). (Part) becomes the n-type high concentration region 2c.

次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入によって、p型ベース領域4の、p+型ベース領域3に対向する部分の表面層に、n+型ソース領域6を選択的に形成する。次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入によって、p型ベース領域4の、p+型ベース領域3に対向する部分の表面層に、p+型コンタクト領域7を選択的に形成する。次に、p+型ベース領域3、n+型ソース領域6、p+型コンタクト領域7、n型ウェル領域8、n型高濃度領域2c、第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bを活性化させるための熱処理(アニール)を行う。このときの熱処理温度および熱処理時間は、例えば、それぞれ1620℃程度および2分間程度であってもよい。 Next, an n + type source region 6 is selectively formed on the surface layer of the p type base region 4 at a portion facing the p + type base region 3 by photolithography and ion implantation. Next, a p + -type contact region 7 is selectively formed on the surface layer of the p-type base region 4 at a portion facing the p + -type base region 3 by photolithography and ion implantation. Next, p + type base region 3, n + type source region 6, p + type contact region 7, n type well region 8, n type high concentration region 2c, first p type region 5a and second p type region A heat treatment (annealing) for activating 5b is performed. The heat treatment temperature and heat treatment time at this time may be, for example, about 1620 ° C. and about 2 minutes, respectively.

なお、n+型ソース領域6、p+型コンタクト領域7、n型ウェル領域8、n型高濃度領域2c、第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bを形成する順序は種々変更可能である。また、第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bを形成するためのイオン注入工程はp型ベース領域4を堆積する前に行ってもよい。この場合、p+型ベース領域3、第1p-型領域5aおよび第2p--型領域5bを形成する順序は種々変更可能である。また、n型ウェル領域8とn型高濃度領域2cとを別々に形成してもよい。この場合、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2b上p型ベース領域4となるp型炭化珪素エピタキシャル層を堆積する前に、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの表面層にn型高濃度領域2cを形成してもよい。 The order of forming the n + type source region 6, p + type contact region 7, n type well region 8, n type high concentration region 2c, first p type region 5a and second p type region 5b is variously changed. Is possible. Further, the ion implantation step for forming the first p type region 5a and the second p type region 5b may be performed before the p type base region 4 is deposited. In this case, the order of forming the p + type base region 3, the first p type region 5a, and the second p type region 5b can be variously changed. Further, the n-type well region 8 and the n-type high concentration region 2c may be formed separately. In this case, before depositing the p-type silicon carbide epitaxial layer to be the p-type base region 4 on the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b, the n-type high concentration region 2c is formed on the surface layer of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b. It may be formed.

次に、炭化珪素半導体基体のおもて面側を熱酸化し、ゲート絶縁膜9を例えば100nm程度の厚さで形成する。この熱酸化は、例えば、酸素(O2)雰囲気中において1000℃程度の温度の熱処理によって行ってもよい。これにより、p型ベース領域4の表面層、および、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの、耐圧構造部102に露出する部分の表面層に形成された各領域がゲート絶縁膜9で覆われる。 Next, the front side of the silicon carbide semiconductor substrate is thermally oxidized to form a gate insulating film 9 having a thickness of about 100 nm, for example. This thermal oxidation may be performed, for example, by a heat treatment at a temperature of about 1000 ° C. in an oxygen (O 2 ) atmosphere. Thereby, the gate insulating film 9 covers each region formed in the surface layer of the p-type base region 4 and the surface layer of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b exposed at the breakdown voltage structure 102.

次に、ゲート絶縁膜9上に、ゲート電極10として、例えばリン(P)がドープされた多結晶シリコン層を形成する。次に、この多結晶シリコン層をパターニングして選択的に除去し、p型ベース領域4の、n+型ソース領域6とn型ウェル領域8とに挟まれた部分上に多結晶シリコン層を残す。このとき、p型ベース領域4からn型ウェル領域8上にわたって多結晶シリコン層を残してもよい。このp型ベース領域4およびn型ウェル領域8上に残る多結晶シリコン層がゲート電極10となる。 Next, a polycrystalline silicon layer doped with, for example, phosphorus (P) is formed on the gate insulating film 9 as the gate electrode 10. Next, this polycrystalline silicon layer is selectively removed by patterning, and a polycrystalline silicon layer is formed on the portion of the p-type base region 4 sandwiched between the n + -type source region 6 and the n-type well region 8. leave. At this time, a polycrystalline silicon layer may be left over the p-type base region 4 and the n-type well region 8. The polycrystalline silicon layer remaining on the p-type base region 4 and the n-type well region 8 becomes the gate electrode 10.

次に、基体おもて面全面に、ゲート電極10を覆うように、例えば1μm程度の厚さの層間絶縁膜11を成膜(形成)する。層間絶縁膜11は、例えばPSG(Phospho Silicate Glass)やBPSG(Boro Phospho Silicate Glass)などのリンガラスからなる酸化シリコン(SiO2)膜であってもよいし、ノンドープの酸化シリコン膜(NSG:Nondoped Silicate Glass)であってもよい。または、PSG、BPSG、NSGから2種以上の任意の組み合わせの複数層で形成されていても良い。ここまでの状態が図5に示されている。 Next, an interlayer insulating film 11 having a thickness of, for example, about 1 μm is formed (formed) on the entire surface of the base so as to cover the gate electrode 10. The interlayer insulating film 11 may be a silicon oxide (SiO 2 ) film made of phosphorous glass such as PSG (Phospho Silicate Glass) and BPSG (Boro Phospho Silicate Glass), or a non-doped silicon oxide film (NSG: Non-doped). (Silicate Glass). Alternatively, it may be formed of a plurality of layers of any combination of two or more of PSG, BPSG, and NSG. The state up to here is shown in FIG.

次に、層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9をパターニングして選択的に除去してコンタクトホールを形成することで、n+型ソース領域6およびp+型コンタクト領域7を露出させる。次に、層間絶縁膜11を平坦化するための熱処理(リフロー)を行う。次に、層間絶縁膜11の表面に、ソース電極12を成膜(形成)する。このとき、コンタクトホール内にもソース電極12を埋め込み、n+型ソース領域6およびp+型コンタクト領域7とソース電極12とを接触させる。次に、層間絶縁膜11上のソース電極12を除去し、コンタクトホールの内部にソース電極12を残す。また、ソース電極12はパターニングの際の合わせズレに対応させるためにコンタクトホールよりも大きい形状にし、ソース電極12の一部を層間絶縁膜11上に残しても良い。 Next, the interlayer insulating film 11 and the gate insulating film 9 are patterned and selectively removed to form contact holes, thereby exposing the n + -type source region 6 and the p + -type contact region 7. Next, heat treatment (reflow) for planarizing the interlayer insulating film 11 is performed. Next, the source electrode 12 is formed (formed) on the surface of the interlayer insulating film 11. At this time, the source electrode 12 is buried also in the contact hole, and the n + type source region 6 and the p + type contact region 7 are brought into contact with the source electrode 12. Next, the source electrode 12 on the interlayer insulating film 11 is removed, and the source electrode 12 is left inside the contact hole. Further, the source electrode 12 may have a shape larger than the contact hole so as to correspond to the misalignment at the time of patterning, and a part of the source electrode 12 may be left on the interlayer insulating film 11.

次に、n+型炭化珪素基板1の裏面(炭化珪素半導体基体の裏面)に、裏面電極15として例えばニッケル(Ni)膜を成膜する。そして、例えば970℃の温度で熱処理し、n+型炭化珪素基板1と裏面電極15とのオーミック接合(電気的接触)を形成する。次に、例えばスパッタ法によって、ソース電極12および層間絶縁膜11を覆うように、炭化珪素半導体基体のおもて面の全面におもて面電極パッド13を堆積(形成)する。おもて面電極パッド13の層間絶縁膜11上の部分の厚さは、例えば5μmであってもよい。おもて面電極パッド13は、例えば、1%の割合でシリコンを含んだアルミニウム(Al−Si)で形成してもよい。ここまでの状態が図6に示されている。 Next, a nickel (Ni) film, for example, is formed as the back electrode 15 on the back surface of the n + type silicon carbide substrate 1 (the back surface of the silicon carbide semiconductor substrate). Then, for example, heat treatment is performed at a temperature of 970 ° C. to form an ohmic junction (electrical contact) between the n + -type silicon carbide substrate 1 and the back electrode 15. Next, a front electrode pad 13 is deposited (formed) on the entire front surface of the silicon carbide semiconductor substrate so as to cover the source electrode 12 and the interlayer insulating film 11 by, for example, sputtering. The thickness of the portion of the front electrode pad 13 on the interlayer insulating film 11 may be 5 μm, for example. The front electrode pad 13 may be formed of, for example, aluminum containing silicon (Al—Si) at a rate of 1%. The state up to this point is shown in FIG.

次に、おもて面電極パッド13を選択的に除去し、ソース電極12および活性領域101の層間絶縁膜11上におもて面電極パッド13を残す。次に、炭化珪素半導体基体のおもて面全面に保護膜14を形成する。次に、保護膜14をパターニングしておもて面電極パッド13を露出させ、耐圧構造部102の層間絶縁膜11上に、おもて面電極パッド13の端部を覆うように保護膜14を残す。次に、裏面電極15の表面に、裏面電極パッド16として例えばチタン(Ti)膜、ニッケル(Ni)膜および金(Au)膜を順に成膜する。その後、半導体ウエハをチップ状にダイシング(切断)することにより、図1に示す炭化珪素MOSFETが完成する。   Next, the front electrode pad 13 is selectively removed, leaving the front electrode pad 13 on the source electrode 12 and the interlayer insulating film 11 in the active region 101. Next, protective film 14 is formed on the entire front surface of the silicon carbide semiconductor substrate. Next, the protective film 14 is patterned to expose the surface electrode pad 13, and the protective film 14 is covered on the interlayer insulating film 11 of the breakdown voltage structure 102 so as to cover the end of the front electrode pad 13. Leave. Next, for example, a titanium (Ti) film, a nickel (Ni) film, and a gold (Au) film are sequentially formed on the surface of the back electrode 15 as the back electrode pad 16. Thereafter, the silicon wafer MOSFET shown in FIG. 1 is completed by dicing (cutting) the semiconductor wafer into chips.

(実施例)
次に、実施例にかかる半導体装置の耐圧およびオン抵抗について検証した。図7,8は、実施例にかかる炭化珪素半導体装置の耐圧特性およびオン抵抗特性を示す特性図である。図7の横軸にはn型高濃度領域2cの不純物濃度(窒素注入濃度)を示し、縦軸には耐圧およびオン抵抗RonAを示す。図7の注釈括弧内の数値はn型高濃度領域2cの厚さである。図8の横軸には第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度を示し、縦軸には耐圧およびオン抵抗RonAを示す。図8の注釈括弧内の数値はn型高濃度領域2cの不純物濃度(窒素注入濃度)である。
(Example)
Next, the breakdown voltage and on-resistance of the semiconductor device according to the example were verified. 7 and 8 are characteristic diagrams showing a breakdown voltage characteristic and an on-resistance characteristic of the silicon carbide semiconductor device according to the example. In FIG. 7, the horizontal axis represents the impurity concentration (nitrogen implantation concentration) of the n-type high concentration region 2c, and the vertical axis represents the breakdown voltage and the on-resistance RonA. The numerical value in the parentheses in FIG. 7 is the thickness of the n-type high concentration region 2c. In FIG. 8, the horizontal axis represents the impurity concentration of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b, and the vertical axis represents the breakdown voltage and the on-resistance RonA. The numerical value in the parentheses in FIG. 8 is the impurity concentration (nitrogen implantation concentration) of the n-type high concentration region 2c.

まず、上述した実施の形態にかかる半導体装置(図1)に例示した上記諸条件の構成(以下、実施例とする)をシミュレーションし、その耐圧およびオン抵抗を算出した。実施例のシミュレーション構造は上述した実施の形態にかかる半導体装置の製造方法に合わせるために、n型ウェル領域8とn型高濃度領域2cとを同時に形成する工程を仮定して設計した。具体的には、実施例のシミュレーション条件として、n型ウェル領域8およびn型高濃度領域2cを形成するための多段イオン注入によって形成されるn型領域の平均不純物濃度および注入深さをそれぞれ3.5×1016/cm3および0.75μmとした。すなわち、n型ウェル領域8の不純物濃度は3.0×1016/cm3となり、n型高濃度領域2cの不純物濃度は6.5×1016/cm3となる。 First, the configuration of the above-described various conditions (hereinafter referred to as examples) exemplified in the semiconductor device (FIG. 1) according to the above-described embodiment was simulated, and the breakdown voltage and on-resistance were calculated. The simulation structure of the example is designed on the assumption that the n-type well region 8 and the n-type high-concentration region 2c are formed at the same time in order to match the manufacturing method of the semiconductor device according to the above-described embodiment. Specifically, as the simulation conditions of the example, the average impurity concentration and implantation depth of the n-type region formed by multi-stage ion implantation for forming the n-type well region 8 and the n-type high concentration region 2c are 3 respectively. And 5 × 10 16 / cm 3 and 0.75 μm. That is, the impurity concentration of the n-type well region 8 is 3.0 × 10 16 / cm 3 , and the impurity concentration of the n-type high concentration region 2 c is 6.5 × 10 16 / cm 3 .

実施例のシミュレーション構造の、n型高濃度領域2c以外の条件は上述した実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法に例示した各諸条件と同様である。実施例のシミュレーション結果を図7に示す。また、図7には、n型高濃度領域2cの厚さt2を0.25μmとし、n型高濃度領域2cの不純物濃度(窒素注入濃度)を1.5×1016/cm3から2.05×1017/cm3の範囲で種々変更したシミュレーション結果を示す(以下、第1試料とする)。第1試料のn型高濃度領域2cの不純物濃度以外の構成は実施例と同様である。この第1試料のうち、実施例のシミュレーション結果は、n型高濃度領域2cの厚さt2および不純物濃度がそれぞれ0.25μmおよび6.5×1016/cm3の場合の結果である。実施例においては、耐圧およびオン抵抗がそれぞれ1367Vおよび8.21mΩcm2であることが確認された。 Conditions other than the n-type high concentration region 2c in the simulation structure of the example are the same as the various conditions exemplified in the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. The simulation results of the example are shown in FIG. 7 shows that the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is 0.25 μm, and the impurity concentration (nitrogen implantation concentration) of the n-type high concentration region 2c is 1.5 × 10 16 / cm 3 to 2. The simulation result variously changed in the range of 05 × 10 17 / cm 3 is shown (hereinafter referred to as the first sample). The configuration other than the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c of the first sample is the same as that of the example. Among the first samples, the simulation results of the example are the results when the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c and the impurity concentration are 0.25 μm and 6.5 × 10 16 / cm 3 , respectively. In the examples, it was confirmed that the breakdown voltage and the on-resistance were 1367 V and 8.21 mΩcm 2 , respectively.

さらに、図7には、n型高濃度領域2cの厚さt2を0.45μmおよび0.65μmとした場合について(以下、第2,3試料とする)、n型高濃度領域2cの不純物濃度を1.5×1016/cm3から2.05×1017/cm3の範囲で種々変更し、耐圧およびオン抵抗を算出した結果を示す。第2,3試料の、n型高濃度領域2cの厚さt2以外の構成は、第1試料と同様である。図7に示す結果より、第1,2試料ともに、n型高濃度領域2cの不純物濃度を高くすることにともなう耐圧の低下が緩やかであることが確認された。すなわち、n型高濃度領域2cの不純物濃度を適宜調整することにより耐圧の低下を抑制することができる。また、第1〜3試料ともに、n型高濃度領域2cの不純物濃度を高くするほどオン抵抗を低下させることができることが確認された。 Further, FIG. 7 shows the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c when the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is 0.45 μm and 0.65 μm (hereinafter referred to as second and third samples). The results of calculating the withstand voltage and the on-resistance are shown with various changes in the range of 1.5 × 10 16 / cm 3 to 2.05 × 10 17 / cm 3 . The configurations of the second and third samples other than the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c are the same as those of the first sample. From the results shown in FIG. 7, it was confirmed that both the first and second samples showed a gradual decrease in breakdown voltage with increasing impurity concentration in the n-type high concentration region 2c. That is, it is possible to suppress a decrease in breakdown voltage by appropriately adjusting the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c. In addition, it was confirmed that the on-resistance can be lowered as the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c is increased in both the first to third samples.

一方、n型高濃度領域2cの厚さt2が0.65μmを超える第3試料では、n型高濃度領域2cの不純物濃度を高くすることにともなって耐圧が急激に低下することが確認された(n型高濃度領域2cの厚さt2が0.65μmよりも厚い場合の結果は図示省略する)。この原因は、n型高濃度領域2cの厚さt2がp+型ベース領域3の厚さt3である0.5μmを超えることで、最も電界の集中するp+型ベース領域3のJFET領域側の下側コーナー部も、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bよりも不純物濃度の高いn型高濃度領域2cに覆われるからであると推測される。これらの結果から、本発明においては、n型高濃度領域2cの厚さt2はp+型ベース領域3の厚さt3よりも薄いほど耐圧の低下を抑制する効果があるといえる。また、n型高濃度領域2cの厚さt2はp+型ベース領域3の厚さt3よりも薄い条件では、n型高濃度領域2cの濃度が1.5×1017/cm3未満で耐圧の低下を抑制する効果があるといえる。 On the other hand, in the third sample in which the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c exceeds 0.65 μm, it was confirmed that the breakdown voltage sharply decreases as the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c increases. (The results when the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is larger than 0.65 μm are not shown). This is because the thickness t2 of the n-type high-concentration region 2c exceeds 0.5 μm, which is the thickness t3 of the p + -type base region 3, and thus the J + region side of the p + -type base region 3 where the electric field is most concentrated. It is presumed that this is because the lower corner portion is also covered with the n-type high concentration region 2c having a higher impurity concentration than the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b. From these results, it can be said that in the present invention, the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is smaller than the thickness t3 of the p + -type base region 3 and the effect of suppressing the decrease in breakdown voltage is obtained. On the condition that the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is thinner than the thickness t3 of the p + -type base region 3, the concentration of the n-type high concentration region 2c is less than 1.5 × 10 17 / cm 3. It can be said that there is an effect of suppressing the decrease in the amount.

次に、n型高濃度領域2cの厚さt2を0.45μmとし、n型高濃度領域2cの不純物濃度(窒素注入濃度)をそれぞれ1.5×1016/cm3および8.5×1016/cm3(以下、第4,5試料とする)とした構造についてシミュレーションし、耐圧およびオン抵抗を算出した。第4,5試料においては、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの厚さt0を2μmとし、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度を2×1016/cm3から4×1016/cm3の範囲で種々変更した。第4,5試料のn型高濃度領域2cおよび第2n型炭化珪素エピタキシャル層2b以外の構成は、第1試料と同様である。第4,5試料のシミュレーション結果を図8に示す。 Next, the thickness t2 of the n-type high concentration region 2c is set to 0.45 μm, and the impurity concentration (nitrogen implantation concentration) of the n-type high concentration region 2c is 1.5 × 10 16 / cm 3 and 8.5 × 10, respectively. The structure of 16 / cm 3 (hereinafter referred to as the fourth and fifth samples) was simulated, and the withstand voltage and on-resistance were calculated. In the fourth and fifth samples, the thickness t0 of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is 2 μm, and the impurity concentration of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is 2 × 10 16 / cm 3 to 4 × 10 16 / cm. Various changes were made within the range of 3 . The configurations of the fourth and fifth samples other than the n-type high concentration region 2c and the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b are the same as those of the first sample. The simulation results of the fourth and fifth samples are shown in FIG.

図8に示すように、第4,5試料ともに、第1〜3試料と同様に、n型高濃度領域2cの不純物濃度を高くすることにともなう耐圧の低下が緩やかであることが確認された。また、第4,5試料ともに、n型高濃度領域2cの不純物濃度を高くするほどオン抵抗を低下させることができることが確認された。また、n型高濃度領域2cの不純物濃度が4×1016/cm3になると耐圧が目標の1200V以下になることが確認された。この結果から、第2n型炭化珪素エピタキシャル層2bの不純物濃度は、4×1016cm/3よりも低くするほど耐圧の低下を抑制する効果があるといえる。 As shown in FIG. 8, in both the fourth and fifth samples, as with the first to third samples, it was confirmed that the decrease in the breakdown voltage accompanying the increase of the impurity concentration in the n-type high concentration region 2c was gradual. . In addition, it was confirmed that the on-resistance can be lowered in both the fourth and fifth samples as the impurity concentration in the n-type high concentration region 2c is increased. In addition, it was confirmed that the breakdown voltage becomes the target 1200 V or less when the impurity concentration of the n-type high concentration region 2c is 4 × 10 16 / cm 3 . From this result, it can be said that as the impurity concentration of the second n-type silicon carbide epitaxial layer 2b is lower than 4 × 10 16 cm / 3 , there is an effect of suppressing a decrease in breakdown voltage.

以上、説明したように、実施の形態によれば、隣り合うベース領域(p型ベース領域およびp+型ベース領域)に挟まれたJFET領域にn型ウェル領域およびn型高濃度領域を設けることにより、JFET領域のn型不純物濃度を、n型ドリフト領域のドレイン側の不純物濃度よりも高くすることができる。これにより、オン抵抗を低減させることができる。また、隣り合うp+型ベース領域間に挟まれた部分にn型高濃度領域を設けることにより、JFET領域のうち、隣り合うp+型ベース領域間に挟まれた部分のn型不純物濃度をさらに高くすることができる。これにより、耐圧の低下を抑制することができる。また、実施の形態によれば、隣り合うp+型ベース領域間に挟まれた部分にp+型ベース領域よりも厚さの薄いn型高濃度領域を設けることにより、最も電界の集中するp+型ベース領域のJFET領域側の下側コーナー部(ドレイン側コーナー部)がn型高濃度領域によって覆われない。このため、JFET領域のうち、p+型ベース領域のJFET領域側の下側コーナー部以外の領域のn型不純物濃度を高くすることができる。これにより、n型高濃度領域の不純物濃度が高いことにともなって耐圧が急激に低下することを回避することができる。 As described above, according to the embodiment, the n-type well region and the n-type high concentration region are provided in the JFET region sandwiched between the adjacent base regions (p-type base region and p + -type base region). Thus, the n-type impurity concentration in the JFET region can be made higher than the impurity concentration on the drain side of the n-type drift region. Thereby, the on-resistance can be reduced. Further, by providing the n-type high concentration region is sandwiched between adjacent p + -type base region portion, of the JFET region, the n-type impurity concentration of sandwiched between adjacent p + -type base region portions It can be even higher. Thereby, the fall of a proof pressure can be suppressed. Further, according to the embodiment, by providing an n-type high concentration region having a thickness smaller than that of the p + type base region in a portion sandwiched between adjacent p + type base regions, the p having the highest electric field concentration is provided. The lower corner portion (drain side corner portion) of the + type base region on the JFET region side is not covered with the n-type high concentration region. Therefore, the n-type impurity concentration in the region other than the lower corner portion of the p + -type base region on the JFET region side in the JFET region can be increased. As a result, it is possible to avoid a sudden drop in breakdown voltage due to a high impurity concentration in the n-type high concentration region.

以上において本発明では、n+型炭化珪素基板の主面(おもて面)を<11−20>方向に4度程度のオフ角を有する(000−1)面とした場合を例に説明したが、これに限らず、n+型炭化珪素基板の主面の面方位は設計条件などに合わせて種々変更可能である。例えば、n+型炭化珪素基板の主面を(0001)面、または、<11−20>方向に10度以下程度のオフ角を有する(0001)面であってもよい。また、上述した実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素半導体を用いた場合を例に説明しているが、これに限らず、窒化ガリウム(GaN)やダイヤモンドなど他のワイドバンドギャップ半導体においても同様の効果が得られる。また、上述した各実施の形態では、MOSFETを例に説明しているが、本発明は、基体おもて面側にMOSゲート構造を備えたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などのMOS型半導体装置に適用可能である。 In the present invention, the case where the main surface (front surface) of the n + type silicon carbide substrate is a (000-1) plane having an off angle of about 4 degrees in the <11-20> direction is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the plane orientation of the main surface of the n + -type silicon carbide substrate can be variously changed according to the design conditions and the like. For example, the main surface of the n + -type silicon carbide substrate may be a (0001) plane or a (0001) plane having an off angle of about 10 degrees or less in the <11-20> direction. In the above-described embodiment, the case where a silicon carbide semiconductor is used as the wide band gap semiconductor has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and in other wide band gap semiconductors such as gallium nitride (GaN) and diamond. The same effect can be obtained. In each of the above-described embodiments, the MOSFET is described as an example. However, the present invention is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a MOS gate structure on the front surface side of the substrate. It is applicable to MOS type semiconductor devices such as.

また、本発明では、耐圧構造としてダブルゾーンJTE構造を備える場合を例に説明しているが、耐圧構造部にマルチゾーンJTE構造やFLR(Field Limiting Ring)構造を適用してもよい。マルチゾーンJTE構造とは、不純物濃度の異なる3つ以上のp型領域を、活性領域側から耐圧構造部側へ向う方向に並列に、かつ接するように配置した構造である。FLR構造は、複数のp型領域を活性領域側から耐圧構造部側へ向う方向に所定間隔を空けて並列に配置した構造であり、製造の難易度によらず適用可能である。また、上述した実施の形態1では、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を堆積した炭化珪素エピタキシャル基板を用いた場合を例に説明しているが、これに限らず、例えばMOSゲート構造を構成するすべての領域を炭化珪素バルク基板の内部に形成した拡散領域としてもよい。また、実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。   In the present invention, a case where a double-zone JTE structure is provided as the breakdown voltage structure is described as an example. However, a multi-zone JTE structure or a FLR (Field Limiting Ring) structure may be applied to the breakdown voltage structure portion. The multi-zone JTE structure is a structure in which three or more p-type regions having different impurity concentrations are arranged in parallel and in contact with each other in the direction from the active region side to the breakdown voltage structure portion side. The FLR structure is a structure in which a plurality of p-type regions are arranged in parallel at a predetermined interval in the direction from the active region side to the pressure-resistant structure side, and can be applied regardless of the difficulty of manufacturing. In the first embodiment described above, a case where a silicon carbide epitaxial substrate in which a silicon carbide epitaxial layer is deposited on a silicon carbide substrate is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a MOS gate structure, for example, is configured. It is good also as a diffusion area | region which formed all the area | regions to perform inside the silicon carbide bulk substrate. In the embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the present invention is similarly established when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. .

以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置に有用である。   As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a high voltage semiconductor device used for a power conversion device, a power supply device such as various industrial machines and the like.

1 n+型炭化珪素基板
2a 第1n型炭化珪素エピタキシャル層
2b 第2n型炭化珪素エピタキシャル層
2c n型高濃度領域
3 p+型ベース領域
4 p型ベース領域
5a 第1p-型領域
5b 第2p--型領域
6 n+型ソース領域
7 p+型コンタクト領域
8 n型ウェル領域
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
11 層間絶縁膜
12 ソース電極
13 おもて面電極パッド
14 保護膜
15 裏面電極
16 裏面電極パッド
101 活性領域
102 耐圧構造部
1 n + -type silicon carbide substrate 2a second 1n-type silicon carbide epitaxial layer 2b first 2n-type silicon carbide epitaxial layer 2c n-type high-concentration region 3 p + -type base region 4 p-type base region 5a first 1p - -type region 5b the 2p - - type region 6 n + -type source region 7 p + -type contact region 8 n-type well region 9 gate insulating film 10 gate electrode 11 interlayer insulating film 12 source electrode 13 front surface electrode pad 14 protective layer 15 rear surface electrode 16 back-surface electrode Pad 101 Active region 102 Withstand voltage structure

Claims (9)

炭化珪素半導体からなる第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い炭化珪素半導体からなる第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に設けられた、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い炭化珪素半導体からなる第1導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面層に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体領域と、
前記第2半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に設けられた、前記第1半導体領域よりも不純物濃度の低い第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の内部に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体領域と、
前記第2半導体領域を貫通して、前記第2半導体層の、前記第1半導体領域間に挟まれた部分に達する第4半導体領域と、
前記第2半導体層の、前記第1半導体領域間に挟まれた部分に設けられた、前記第2半導体層および前記第4半導体領域よりも不純物濃度が高い第5半導体領域と、
前記第2半導体領域の、前記第3半導体領域と前記第4半導体領域とに挟まれた部分の表面上に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第2半導体領域および前記第3半導体領域に電気的に接続された第1電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate made of a silicon carbide semiconductor;
A first semiconductor layer of a first conductivity type formed of a silicon carbide semiconductor having a lower impurity concentration than the semiconductor substrate, provided on the front surface of the semiconductor substrate;
A second semiconductor layer of a first conductivity type made of a silicon carbide semiconductor having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer, provided on a surface opposite to the semiconductor substrate side of the first semiconductor layer;
A first semiconductor region of a second conductivity type selectively provided on a surface layer of the second semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate;
A second conductivity type second semiconductor region having a lower impurity concentration than the first semiconductor region, provided on a surface of the second semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side;
A third semiconductor region of a first conductivity type selectively provided inside the second semiconductor region;
A fourth semiconductor region passing through the second semiconductor region and reaching a portion of the second semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor regions;
A fifth semiconductor region having a higher impurity concentration than the second semiconductor layer and the fourth semiconductor region, provided in a portion of the second semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor regions;
A gate electrode provided on a surface of a portion of the second semiconductor region sandwiched between the third semiconductor region and the fourth semiconductor region via a gate insulating film;
A first electrode electrically connected to the second semiconductor region and the third semiconductor region;
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising:
前記第5半導体領域の厚さは、前記第1半導体領域の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the fifth semiconductor region is thinner than a thickness of the first semiconductor region. 前記第2半導体層の不純物濃度は1×1016/cm3以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the second semiconductor layer is 1 × 10 16 / cm 3 or more. 前記第2半導体層の不純物濃度は4×1016/cm3未満である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。 The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the second semiconductor layer is less than 4 × 10 16 / cm 3 . 前記第2半導体層の厚さは1μm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。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the second semiconductor layer is 1 μm or more. 前記第2半導体層の厚さは4μm以下である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。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the second semiconductor layer is 4 μm or less. 前記第2半導体層は、エピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル層であ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。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is an epitaxial layer formed by epitaxial growth. 前記半導体基板のおもて面は、(000−1)面に平行な面または(000−1)面に対して10度以下に傾いた面であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。   The front surface of the semiconductor substrate is a plane parallel to the (000-1) plane or a plane inclined at 10 degrees or less with respect to the (000-1) plane. The semiconductor device according to any one of the above. 前記半導体基板のおもて面は、(0001)面に平行な面または(0001)面に対して10度以下に傾いた面であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。   The front surface of the semiconductor substrate is a plane parallel to the (0001) plane or a plane inclined at 10 degrees or less with respect to the (0001) plane. A semiconductor device according to 1.
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