JP5321377B2 - Power semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device for electric power which has a high-speed switching function, and can solve a problem that during switching, a displacement current flows and a high voltage is generated by resistance of a displacement current path, thereby a breakdown of a thin insulating film such as a gate insulating film and an insulation breakdown of the semiconductor device are occurred by the voltage. <P>SOLUTION: The semiconductor device can reduce a resistance between a first well region and a source pad in a part where a shape of a boundary of a first well region is concave and decrease a voltage generated resulting from displacement current during switching, because well contact hole per unit length for peripheral boundary of the first well region in a part where a shape of a boundary of a second conductive type first well region formed on a part of a surface of a first conductive type drift layer formed on a first main surface of a first conductive type semiconductor substrate is concave are arranged more than that in a part where a shape of boundary of the first well region is linear as viewed from above. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置などの電力用半導体装置に関する。   The present invention relates to a power semiconductor device such as a silicon carbide semiconductor device.

特許文献1に記載の電力用縦型金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)とダイオードで構成される電力用半導体装置は、同文献の図1及び図2に示されているように、MOSFETのセル領域の周縁部、すなわち、ゲートパッド部と隣接された領域にダイオードが少なくとも一列に配置されている。このようなダイオードの各々は、MOSFETがオン状態からオフ状態へスイッチングする際に、同文献の図2に示されるPウェル及びPベースからドレイン側のN型半導体層内に順方向バイアス時に注入されたホールを吸収する。このため、同文献の上記の構造は、MOSFETが順方向バイアスから逆方向バイアスに切り替わる際に、同文献の図3に示される寄生トランジスタがオンするのを防止することができる。   A power semiconductor device including a power vertical metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and a diode described in Patent Document 1 are shown in FIGS. 1 and 2 of the same document. As shown in FIG. 2, diodes are arranged in at least one row in the peripheral portion of the cell region of the MOSFET, that is, in the region adjacent to the gate pad portion. Each of these diodes is injected during forward bias into the N-type semiconductor layer on the drain side from the P well and P base shown in FIG. 2 when the MOSFET switches from the on state to the off state. Absorbs holes. For this reason, the above-mentioned structure of the same document can prevent the parasitic transistor shown in FIG. 3 of the same document from being turned on when the MOSFET is switched from the forward bias to the reverse bias.

ここで、同文献の上記構造においては、その図2に示されている様に、MOSFETのPウェルであるPベースが、バックゲートを介して、ソース電極に電気的に接続されている。   Here, in the structure of the same document, as shown in FIG. 2, the P base, which is the P well of the MOSFET, is electrically connected to the source electrode through the back gate.

特開平5−198816号公報(図1〜図3)JP-A-5-198816 (FIGS. 1 to 3)

本発明が解決すべき問題点を、特許文献1の図2に基づき以下に説明する。   The problem to be solved by the present invention will be described below with reference to FIG.

特許文献1に記載の電力用半導体装置のMOSFETをオン状態からオフ状態にスイッチングするときに、MOSFETのドレイン電圧、すなわち、ドレイン電極の電圧が急激に上昇し、場合によっては数百V程度にまで達することがある。このドレイン電圧の上昇により、オフ状態時になるとPウェルとN-ドレイン層との間にできる空乏層容量を介して、ドレイン電極側とソース電極側とにそれぞれ変位電流が発生する。この変位電流は、PウェルまたはPウェルと同様にP型の領域がN-ドレイン層中に設けられている箇所であれば、MOSFETのPウェルにだけでなくダイオードにも発生する。 When the MOSFET of the power semiconductor device described in Patent Document 1 is switched from the on state to the off state, the drain voltage of the MOSFET, that is, the voltage of the drain electrode rises rapidly, and in some cases reaches about several hundred volts. May reach. Due to the rise of the drain voltage, displacement currents are generated on the drain electrode side and the source electrode side via the depletion layer capacitance formed between the P well and the N drain layer in the off state. This displacement current is generated not only in the P well of the MOSFET but also in the diode if the P-type region is provided in the N drain layer like the P well or the P well.

このようにして発生した変位電流は、ドレイン電極側に発生したものはそのままドレイン電極に流れるが、ソース電極側に発生したものは、PウェルまたはP型の領域を経由してソース電極にまで流れる。
特許文献1に示されるような電力用半導体装置の場合、その従来例の説明に記載されているようにソース電極とフィールドプレートとは電気的に接続されているので、例えば図2(C)に示される断面において、ゲートパッド下のPウェルに内に流れ込んだ変位電流は、ゲートパッド下のPウェル内をMOSFETセル方向からフィールドプレートに接続されているコンタクトホールに向けて流れ、フィールドプレートを介してソース電極に流入する。
The displacement current generated in this way flows to the drain electrode as it is generated on the drain electrode side, but the displacement current generated on the source electrode side flows to the source electrode via the P-well or P-type region. .
In the case of a power semiconductor device as shown in Patent Document 1, the source electrode and the field plate are electrically connected as described in the description of the conventional example. In the cross section shown, the displacement current that has flowed into the P well under the gate pad flows in the P well under the gate pad from the MOSFET cell direction toward the contact hole connected to the field plate, and passes through the field plate. Flows into the source electrode.

ここで、MOSFETセルのPウェルとダイオードセルのPウェルの面積に対してゲートパッド下のPウェルの面積は非常に大きいので、ゲートパッド下のPウェルに変位電流が流れると、面積が大きなPウェル自体およびコンタクトホールにある程度大きな抵抗値の抵抗があるために、Pウェル内に無視し得ない値の電圧が発生する。その結果、Pウェルがフィールドプレートを介してソース電極(通常アース電位に接続される)と電気的に接続されている箇所(コンタクトホール)から平面方向の距離が大きなPウェル内の位置では比較的大きな電位が発生することになる。
この電位は、変位電流が大きくなる程大きくなり、上記ドレイン電圧Vの時間tに対する変動dV/dtが大きくなる程大きくなる。
Here, the area of the P well under the gate pad is very large with respect to the area of the P well of the MOSFET cell and the P well of the diode cell. Since the well itself and the contact hole have a resistance with a certain large resistance value, a voltage of a value that cannot be ignored is generated in the P well. As a result, at a position in the P well where the distance in the plane direction is large from a place (contact hole) where the P well is electrically connected to the source electrode (usually connected to the ground potential) via the field plate. A large potential will be generated.
This potential increases as the displacement current increases, and increases as the fluctuation dV / dt of the drain voltage V with respect to time t increases.

ここで、あらためて、炭化珪素MOSFETを高速駆動、すなわち、高dV/dtで駆動することについて説明しておく。   Here, it will be described again that the silicon carbide MOSFET is driven at high speed, that is, driven at high dV / dt.

従来のSi(シリコン)を用いたユニポーラ素子であるSi−MOSFETにおいては、動作速度としては20V/nsec以上と比較的高速で動作させているが、1kV前後からそれ以上の高い電圧で動作させると導通損失が非常に大きくなるために、その動作電圧は数10から数100Vに限られていた。そのため、1kV前後からそれ以上の高電圧領域では、もっぱらSi−IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が利用されてきた。ところが、IGBTはバイポーラ素子であるために、少数キャリアの影響で、ユニポーラ素子のような高速スイッチング特性を得ることは難しかった。すなわち、dV/dtを増加させてもスイッチング損失を大きく減らすことができないため、高dV/dtで駆動する必要はなく、せいぜい数V/nsec程度の動作速度で使用されていた。   A conventional Si-MOSFET that is a unipolar element using Si (silicon) is operated at a relatively high speed of 20 V / nsec or more as an operation speed, but when operated at a high voltage of about 1 kV or higher. Since the conduction loss becomes very large, the operating voltage is limited to several tens to several hundreds volts. For this reason, an Si-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has been used exclusively in a high voltage region of about 1 kV or higher. However, since the IGBT is a bipolar element, it is difficult to obtain high-speed switching characteristics like a unipolar element due to the influence of minority carriers. That is, since switching loss cannot be greatly reduced even if dV / dt is increased, it is not necessary to drive at high dV / dt, and it is used at an operating speed of about several V / nsec at most.

これに対して、炭化珪素を用いたMOSFETでは、1kV以上の高電圧領域においても低い導通損失を得ることができ、また、ユニポーラ素子であるので高速動作が可能であり、高速スイッチングによりスイッチング損失を低減できるので、インバータ動作時の損失をより一層低減することができる。   On the other hand, a MOSFET using silicon carbide can obtain a low conduction loss even in a high voltage region of 1 kV or higher, and can operate at high speed because it is a unipolar element. Since it can reduce, the loss at the time of inverter operation | movement can be reduced further.

このような、1kV以上の高電圧領域動作で例えば10V/nsec以上の高速スイッチングという、従来のSi素子では無かった動作環境において、先に説明したようなスイッチング時の変位電流によりPウェルに発生する電圧は、より顕著になる。   In such an operating environment that is not possible with a conventional Si element, such as high-speed switching of 10 V / nsec or more in an operation of a high voltage region of 1 kV or higher, the displacement is generated in the P-well by the switching current as described above. The voltage becomes more prominent.

さらに、このようなMOSFETを炭化珪素を用いて形成した場合、炭化珪素のバンドギャップ内に十分に浅いp型の不純物レベルをもつ元素が存在しないために、室温近傍で抵抗率の低いp型炭化珪素が得られず、また、このp型炭化珪素と金属との接触抵抗も高くなる。したがって、炭化珪素を用いてMOSFET電力用半導体装置を構成した場合、特にp型炭化珪素で構成されるPウェルおよびこれと金属との接触抵抗の値が大きくなり、変位電流により発生する電圧も大きくなる。   Further, when such a MOSFET is formed using silicon carbide, an element having a sufficiently shallow p-type impurity level does not exist in the band gap of silicon carbide, so that p-type carbonization having a low resistivity near room temperature. Silicon cannot be obtained, and the contact resistance between the p-type silicon carbide and the metal also increases. Therefore, when a MOSFET power semiconductor device is configured using silicon carbide, the value of the contact resistance between the P-well composed of p-type silicon carbide and this metal is increased, and the voltage generated by the displacement current is also increased. Become.

このようなMOSFETを備えた電力用半導体装置において、MOSFETのゲート絶縁膜がPウェルとゲート電極とに挟まれている箇所で、MOSFETをオン状態からオフ状態へスイッチングした直後にゲート電極の電圧が0V付近になったときに、前述のようにPウェルに高い電圧が発生し、その高電圧による高電界によってゲート絶縁膜が破壊される場合があった。高い信頼性の電力用半導体装置を得るためには、ゲート絶縁膜である二酸化珪素膜に印加される電界を3MV/cm以下にすることが望ましく、そのためにも、変位電流によりPウェルに発生する電圧をある一定の値以下にする必要があった。   In a power semiconductor device including such a MOSFET, the voltage of the gate electrode is changed immediately after switching the MOSFET from the on state to the off state at a location where the gate insulating film of the MOSFET is sandwiched between the P well and the gate electrode. When the voltage is close to 0 V, a high voltage is generated in the P-well as described above, and the gate insulating film may be destroyed by a high electric field due to the high voltage. In order to obtain a highly reliable power semiconductor device, it is desirable that the electric field applied to the silicon dioxide film, which is a gate insulating film, be 3 MV / cm or less. The voltage had to be below a certain value.

この発明は、このような問題を解決するためになされたもので、高速でスイッチングするMOSFETを備えた電力用半導体装置において、スイッチング時におけるゲート電極とソース電極間の絶縁破壊の発生を抑制できる、信頼性の高い電力用半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention was made to solve such a problem, and in a power semiconductor device including a MOSFET that switches at high speed, the occurrence of dielectric breakdown between the gate electrode and the source electrode during switching can be suppressed. It is an object to provide a highly reliable power semiconductor device.

本発明の電力用半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の第1の主面に形成された第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表層の一部に形成された第2導電型の第1ウェル領域と、前記第1ウェル領域につながる第2導電型のJTE領域と、前記ドリフト層の表層の一部に前記第1ウェル領域と離間して設けられた前記第1ウェル領域より上面から見た面積の小さな第2導電型の第2ウェル領域と、前記第2ウェル領域の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1ウェル領域および前記第2ウェル領域の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第1ウェル領域の表面上の一部に形成された、前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド酸化膜と、前記ゲート絶縁膜および前記フィールド酸化膜に接して前記ドリフト層の反対側の上部に形成され、前記第1ウェル領域との間に前記ゲート絶縁膜を挟んだ箇所を有するゲート電極と、前記第2ウェル領域および前記ソース領域の上部に設けられたソースコンタクトホールと、前記第1ウェル領域の周辺部の上部に前記ゲート絶縁膜を貫通して設けられ、前記第1ウェル領域を上部から見てその境界が凹形状である箇所に、上部から見て境界が直線状である箇所より、前記第1ウェル領域の周りの境界の単位長さ当たりに多く配置された、同じ面積のウェルコンタクトホールと、前記ソースコンタクトホールおよび前記ウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、前記半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極とを備えたものである。

A power semiconductor device according to the present invention is formed on a part of a surface layer of a first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type drift layer formed on a first main surface of the semiconductor substrate, and the drift layer. The second conductivity type first well region, the second conductivity type JTE region connected to the first well region, and a part of the surface layer of the drift layer are provided apart from the first well region. A second conductivity type second well region having a smaller area as viewed from above the first well region; a first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of the second well region;
A gate insulating film formed on the surfaces of the first well region and the second well region;
A field oxide film having a thickness larger than that of the gate insulating film formed on a part of the surface of the first well region, and an upper portion on the opposite side of the drift layer in contact with the gate insulating film and the field oxide film A gate electrode having a portion sandwiching the gate insulating film between the first well region, a source contact hole provided on the second well region and the source region, and the first well region. A portion provided through the gate insulating film in the upper part of the peripheral portion of the well region, the boundary of the first well region being concave when viewed from above, and the boundary of which is linear when viewed from above more, the are many disposed per unit length of the boundary around the first well region, and the well contact hole having the same area, the source contact hole and the Werukonta A source pad electrically connecting the first well region and the second well region via a hole, a gate pad electrically connected to the gate electrode, and a second main surface of the semiconductor substrate; And a provided drain electrode.

本発明の電力用半導体装置によれば、電力用半導体装置を高速駆動した場合においても、ゲート絶縁膜に大きな強度の電界が印加されずゲート絶縁膜が絶縁破壊することを抑制でき、より信頼性の高い電力用半導体装置を提供することができる。   According to the power semiconductor device of the present invention, even when the power semiconductor device is driven at a high speed, it is possible to suppress the breakdown of the gate insulating film without applying a large strength electric field to the gate insulating film, thereby further improving reliability. A high power semiconductor device can be provided.

この発明の実施の形態1における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a part of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a part of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a part of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3における電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4における電力用半導体装置の一部を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically a part of power semiconductor device in Embodiment 4 of this invention.

実施の形態1.
本発明の実施の形態1においては、電力用半導体装置100の一例として縦型のn型チャネル炭化珪素MOSFETを主としたものを用いて説明する。また、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
Embodiment 1 FIG.
In the first embodiment of the present invention, a description will be given using an example in which a vertical n-type channel silicon carbide MOSFET is mainly used as an example of the power semiconductor device 100. Also, the first conductivity type will be described as n-type, and the second conductivity type will be described as p-type.

図1は、本発明の実施の形態1の電力用半導体装置100を上面から模式的に見た平面図である。図1において、電力用半導体装置100の上面の中央部には、ソースパッド10が設けられている。ソースパッド10の上面から見た一方の側には、ゲートパッド11が設けられている。また、ゲートパッド11から延伸してソースパッド10を取り囲むように、ゲート配線12が設けられている。ソースパッド10と、ゲートパッド11およびゲート配線12との間には、隙間が設けられ、互いに短絡しないように構成されている。   FIG. 1 is a plan view schematically showing the power semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention from above. In FIG. 1, a source pad 10 is provided at the center of the upper surface of the power semiconductor device 100. A gate pad 11 is provided on one side viewed from the upper surface of the source pad 10. A gate wiring 12 is provided so as to extend from the gate pad 11 and surround the source pad 10. A gap is provided between the source pad 10 and the gate pad 11 and the gate wiring 12 so as not to short-circuit each other.

ソースパッド10およびゲートパッド11、ゲート配線12の下部には炭化珪素層が設けられており、ゲートパッド11およびゲート配線12の外側の炭化珪素層にはp型の第1ウェル領域41が、またその更に外側にはp型の接合終端構造(Junction Termination Extension:JTE)領域40が設けられている。   A silicon carbide layer is provided below the source pad 10, the gate pad 11, and the gate wiring 12. A p-type first well region 41 is formed on the silicon carbide layer outside the gate pad 11 and the gate wiring 12. A p-type junction termination extension (JTE) region 40 is provided on the outer side.

ここで、ソースパッド10は、ソースパッド10の下部に多数設けられたMOSFETのユニットセルのソース電極に電気的に接続されたものであり、ゲートパッド11は、ユニットセルのゲート電極に電気的に接続され、外部の制御回路から供給されたゲート電圧をゲート電極に印加するものである。   Here, the source pad 10 is electrically connected to the source electrode of a MOSFET unit cell provided in a large number under the source pad 10, and the gate pad 11 is electrically connected to the gate electrode of the unit cell. A gate voltage connected and supplied from an external control circuit is applied to the gate electrode.

図2は、図1に示した電力用半導体装置100のソースパッド10、ゲートパッド11などの層より下部の炭化珪素層を上部から見た平面図である。図2において、図1に示したソースパッド10の下部の周囲には、ソースパッド10の下部全面に設けられた図示しない層間絶縁膜にウェルコンタクトホール60と呼ぶ孔が形成されている。平面図で見てウェルコンタクトホール60で囲まれた内側には、前述のユニットセルが多数設けられたセル領域14が設けられている。図2において、ウェルコンタクトホール60の配置は概要を示すための例示であり、本実施の形態におけるウェルコンタクトホール60の詳しい配置は、後述するとおり、セル領域14が上面から見て凸形状、すなわち、第1ウェル領域41の境界の形状が凹形状であるコーナー部(図2のC1〜C6など)において、特に、ウェルコンタクトホール60を多く配置している。   FIG. 2 is a plan view of a silicon carbide layer below layers such as source pad 10 and gate pad 11 of power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 as viewed from above. In FIG. 2, a hole called a well contact hole 60 is formed in an interlayer insulating film (not shown) provided on the entire lower surface of the source pad 10 around the lower portion of the source pad 10 shown in FIG. A cell region 14 in which a large number of the unit cells are provided is provided on the inner side surrounded by the well contact hole 60 in a plan view. In FIG. 2, the arrangement of the well contact holes 60 is an example for illustrating the outline, and the detailed arrangement of the well contact holes 60 in the present embodiment is a convex shape when the cell region 14 is viewed from the top, as described later. In particular, a large number of well contact holes 60 are arranged in corner portions (such as C1 to C6 in FIG. 2) where the shape of the boundary of the first well region 41 is concave.

図3は、図1のゲートパッド11とゲート配線12との接続部付近を説明する平面図で、図1および図2のコーナー部C1近傍を拡大したものである。また、図4および図5は、図3のソースパッド10およびゲートパッド11の下層の部分の構成を模式的に表した平面図である。さらに、図3〜図5に示したA−A’部分の断面を模式的に示した断面図を図6に示す。
図3〜図6を用いて、本実施の形態における電力用半導体装置100について詳細に説明する。
FIG. 3 is a plan view for explaining the vicinity of the connecting portion between the gate pad 11 and the gate wiring 12 in FIG. 1, and is an enlarged view of the vicinity of the corner portion C1 in FIGS. 4 and 5 are plan views schematically showing the configuration of the lower layer portion of the source pad 10 and the gate pad 11 in FIG. Furthermore, FIG. 6 shows a cross-sectional view schematically showing a cross section of the AA ′ portion shown in FIGS.
The power semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS.

図3において、ゲートパッド11から延伸したゲート配線12の側に間隔をおいてソースパッド10が形成されている。また、図4において、図3のゲートパッド11およびゲート配線12の下部にあたる部分には、図示しない層間絶縁膜を間に挟んでほぼ全面にゲート電極21、22が設けられており、また、層間絶縁膜を除去した部分であるゲートコンタクトホール31が離散的に設けられている。   In FIG. 3, the source pad 10 is formed on the side of the gate wiring 12 extending from the gate pad 11 with an interval. In FIG. 4, gate electrodes 21 and 22 are provided on almost the entire surface with an interlayer insulating film (not shown) between the gate pad 11 and the gate wiring 12 shown in FIG. Gate contact holes 31 that are portions from which the insulating film has been removed are provided discretely.

図4のソースパッド10の下部にあたる部分には、ほぼ全面に図示しない層間絶縁膜が形成されており、ソースパッド10の外周にあたる部分には、層間絶縁膜を除去した部分であるウェルコンタクトホール60が離散的に設けられている。また、ウェルコンタクトホール60が離散的に設けられている領域の内側の、図2でセル領域14と説明した領域には、層間絶縁膜に離散的にソースコンタクトホール61が設けられている。ソースパッド10の下部にあたる部分のウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61がない部分には、層間絶縁膜の下部にゲート電極23が格子状に形成されており、このゲート電極23は、ゲートパッド11およびゲート配線12の下部のゲート電極21、22と接続されている。ゲートパッド11およびゲート配線12の下部の大部分の領域にあるゲート電極21、22の下層には、図示しないフィールド酸化膜が設けられており、ソースパッド10の大部分の領域の下部の層間絶縁膜またはゲート電極23の下層には、フィールド酸化膜より厚さが薄い、図示しないゲート絶縁膜が設けられている。ゲート絶縁膜とフィールド酸化膜との境界(ゲート絶縁膜フィールド酸化膜境界30)を図4に点線で示す。   An interlayer insulating film (not shown) is formed on almost the entire surface in a portion corresponding to the lower portion of the source pad 10 in FIG. 4, and a well contact hole 60 which is a portion where the interlayer insulating film is removed is formed in a portion corresponding to the outer periphery of the source pad 10. Are provided discretely. Further, source contact holes 61 are provided discretely in the interlayer insulating film in the region described as the cell region 14 in FIG. 2 inside the region where the well contact holes 60 are provided discretely. A gate electrode 23 is formed in a lattice form below the interlayer insulating film in a portion where the well contact hole 60 and the source contact hole 61 corresponding to the lower portion of the source pad 10 are not provided. And connected to the gate electrodes 21 and 22 below the gate wiring 12. A field oxide film (not shown) is provided below the gate electrodes 21 and 22 in most of the regions below the gate pad 11 and the gate wiring 12, and interlayer insulation below the most regions of the source pad 10 is provided. A gate insulating film (not shown) having a thickness smaller than that of the field oxide film is provided below the film or the gate electrode 23. A boundary (gate insulating film field oxide film boundary 30) between the gate insulating film and the field oxide film is shown by a dotted line in FIG.

図5は、図3および図4に対応する箇所の、主にゲート絶縁膜およびフィールド酸化膜より下層の炭化珪素層で構成される領域を説明した平面図である。ゲートパッド11の下方のフィールド酸化膜の下層の領域から平面方向にウェルコンタクトホール60を越える領域にまで、図5に示すように、炭化珪素で構成されるp型の第1ウェル領域41が設けられている。また、ソースコンタクトホール61には、それぞれのソースコンタクトホール61に対して、その中心部分にはp型の第2ウェル領域42が、また、その第2ウェル領域42を平面上で取り囲むようにn型のソース領域80が、さらにその外周には、p型の第2ウェル領域42が設けられている。中心と外周の第2ウェル領域42は、ソース領域80の下部でつながっている。また、隣接するソースコンタクトホール61に対する第2ウェル領域42どうしの間は、炭化珪素で構成されるn型のドリフト層で構成されている。   FIG. 5 is a plan view for explaining a region mainly composed of a silicon carbide layer below the gate insulating film and the field oxide film, at a portion corresponding to FIGS. 3 and 4. As shown in FIG. 5, a p-type first well region 41 made of silicon carbide is provided from the region below the field oxide film below the gate pad 11 to the region beyond the well contact hole 60 in the planar direction. It has been. Further, the source contact hole 61 has a p-type second well region 42 at the center of each source contact hole 61 and n so as to surround the second well region 42 on a plane. A p-type second well region 42 is provided on the outer periphery of the source region 80 of the type. The center and outer peripheral second well regions 42 are connected at the bottom of the source region 80. In addition, between the second well regions 42 with respect to the adjacent source contact holes 61, an n-type drift layer made of silicon carbide is formed.

ここで、ゲートパッド11とゲート配線12の接続部など、セル領域14が上部から見て凸形状、すなわち、第1ウェル領域41が上部から見て凹形状になっているコーナー部では、上部から見てセル領域14と第1ウェル領域41との境界が直線状である他の箇所と比較して、セル領域14の外周、すなわち、第1ウェル領域の周りの境界の単位長さ当たりにウェルコンタクトホール60が多く配置されている。図5において、コーナー部以外ではウェルコンタクトホール60が一重に配置されているのに対し、コーナー部ではウェルコンタクトホール60が二重に配置されている。   Here, in a corner portion where the cell region 14 has a convex shape when viewed from the top, such as a connection portion between the gate pad 11 and the gate wiring 12, that is, when the first well region 41 has a concave shape when viewed from the top. Compared to other locations where the boundary between the cell region 14 and the first well region 41 is linear, the well per unit length of the outer periphery of the cell region 14, that is, the boundary around the first well region Many contact holes 60 are arranged. In FIG. 5, the well contact holes 60 are arranged in a single manner except for the corner portion, whereas the well contact holes 60 are arranged in a double manner in the corner portion.

次に、図3〜図5で説明した構成を、断面方向から図6を用いて説明する。
図6において、n型で低抵抗の炭化珪素で構成される基板20の表面上に、n型の炭化珪素で構成されるドリフト層70が形成されている。ゲートパッド11(ゲート配線12)が設けられている領域にほぼ対応する領域のドリフト層70の表層部には、p型の炭化珪素で構成される第1ウェル領域41が設けられている。
また、ソースコンタクトホール61が設けられている領域の下部のドリフト層70の表層部を中心とする領域には、それぞれのソースコンタクトホール61に対して、その中心部分には、炭化珪素で構成されるp型の第2ウェル領域42が、また、その第2ウェル領域42を取り囲むように、炭化珪素で構成される低抵抗でn型のソース領域80が、さらにその外周側には、p型の第2ウェル領域42が設けられている。
Next, the structure demonstrated in FIGS. 3-5 is demonstrated from FIG. 6 from a cross-sectional direction.
In FIG. 6, drift layer 70 made of n-type silicon carbide is formed on the surface of substrate 20 made of n-type and low-resistance silicon carbide. A first well region 41 made of p-type silicon carbide is provided in the surface layer portion of the drift layer 70 in a region substantially corresponding to the region where the gate pad 11 (gate wiring 12) is provided.
Further, in the region centering on the surface layer portion of the drift layer 70 below the region where the source contact hole 61 is provided, the center portion of each region is made of silicon carbide at the center portion. A p-type second well region 42 is surrounded by a low-resistance n-type source region 80 made of silicon carbide so as to surround the second well region 42. The second well region 42 is provided.

ソースパッド10が設けられている領域にほぼ対応する炭化珪素層の領域の上部には二酸化珪素で構成されるゲート絶縁膜32が形成されている。また、ゲート絶縁膜32が形成されている領域以外の、ゲートパッド11およびゲート配線12に対応する領域の炭化珪素層の上部には、二酸化珪素で構成されるフィールド酸化膜33が形成されている。フィールド酸化膜33の上部の一部にはゲート電極21が設けられている。
第2ウェル領域42がゲート絶縁膜32に接している箇所のゲート絶縁膜32の上部にはゲート電極23が設けられており、フィールド酸化膜33上に設けられたゲート電極21と電気的に接続されている。
A gate insulating film 32 made of silicon dioxide is formed on the upper portion of the silicon carbide layer substantially corresponding to the region where source pad 10 is provided. A field oxide film 33 made of silicon dioxide is formed on the silicon carbide layer in the region corresponding to the gate pad 11 and the gate wiring 12 other than the region where the gate insulating film 32 is formed. . A gate electrode 21 is provided on a part of the upper portion of the field oxide film 33.
A gate electrode 23 is provided on the gate insulating film 32 where the second well region 42 is in contact with the gate insulating film 32, and is electrically connected to the gate electrode 21 provided on the field oxide film 33. Has been.

ゲート絶縁膜32およびフィールド酸化膜33、ゲート電極21、22、23の上部の大部分には二酸化珪素で構成される層間絶縁膜35が形成されており、層間絶縁膜35を貫通して設けられたソースコンタクトホール61により、第2ウェル領域42およびソース領域80とソースパッド10とがオーミック電極63を介して電気的に接続されている。また、層間絶縁膜35などを貫通して設けられたウェルコンタクトホール60により、第1ウェル領域41とソースパッド10とがオーミック電極64を介して電気的に接続されている。さらに、層間絶縁膜35を貫通して設けられたゲートコンタクトホール31により、ゲート電極21とゲートパッド11とが電気的に接続されている。
また、基板20の裏面側には裏面オーミック電極65を介してドレイン電極13が形成されている。
An interlayer insulating film 35 made of silicon dioxide is formed over most of the gate insulating film 32, the field oxide film 33, and the gate electrodes 21, 22, and 23, and is provided through the interlayer insulating film 35. The second well region 42, the source region 80 and the source pad 10 are electrically connected through the ohmic electrode 63 by the source contact hole 61. Further, the first well region 41 and the source pad 10 are electrically connected via the ohmic electrode 64 by the well contact hole 60 provided through the interlayer insulating film 35 and the like. Further, the gate electrode 21 and the gate pad 11 are electrically connected by a gate contact hole 31 provided through the interlayer insulating film 35.
A drain electrode 13 is formed on the back side of the substrate 20 via a back side ohmic electrode 65.

ここで、ウェルコンタクトホール60内のオーミック電極63を介してソースパッド10に接続されたp型の第1ウェル領域41と、基板20と裏面オーミック電極65とを介してドレイン電極13に接続されたn型のドリフト層70との間にダイオードが形成されている。また、縦型のMOSFETにおいては、n型のソース領域80とn型のドリフト層70との間のp型の第2ウェル領域42でゲート絶縁膜32に接した領域(チャネル領域)の導通をゲート絶縁膜32上のゲート電極23の電圧により制御できる。本実施の形態の電力用半導体装置においては、MOSFETのソースとドレインとの間にダイオードが並列に接続されている。   Here, the p-type first well region 41 connected to the source pad 10 through the ohmic electrode 63 in the well contact hole 60 and the drain electrode 13 through the substrate 20 and the back surface ohmic electrode 65 are connected. A diode is formed between the n-type drift layer 70 and the n-type drift layer 70. In the vertical MOSFET, the region (channel region) in contact with the gate insulating film 32 in the p-type second well region 42 between the n-type source region 80 and the n-type drift layer 70 is electrically connected. It can be controlled by the voltage of the gate electrode 23 on the gate insulating film 32. In the power semiconductor device of the present embodiment, a diode is connected in parallel between the source and drain of the MOSFET.

次に、本実施の形態の電力用半導体装置100の製造方法を説明する。
まず、n型で低抵抗の炭化珪素の基板20上の表面(第1の主面)上に化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により1×1013cm-3〜1×1018cm-3のn型の不純物濃度、4〜200μmの厚さの炭化珪素で構成されるドリフト層70をエピタキシャル成長する。つづいて、ドリフト層70の表面の所定の位置に、イオン注入により、p型の第1ウェル領域41、p型の第2ウェル領域42、p型のJTE領域40、n型のソース領域80を形成する。イオン注入するp型不純物としては、Al(アルミニューム)またはB(硼素)が好適であり、イオン注入するn型不純物として、N(窒素)またはP(燐)が好適である。炭化珪素半導体の基板20は、第1の主面の面方位が(0001)面で4Hのポリタイプを有しc軸方向に対して8°以下に傾斜されているものを用いたが、他の面方位、ポリタイプ、傾斜角度であってもよい。
Next, a method for manufacturing the power semiconductor device 100 of the present embodiment will be described.
First, 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 18 is formed on the surface (first main surface) of the n-type low-resistance silicon carbide substrate 20 by a chemical vapor deposition (CVD) method. A drift layer 70 made of silicon carbide having an n-type impurity concentration of cm −3 and a thickness of 4 to 200 μm is epitaxially grown. Subsequently, the p-type first well region 41, the p-type second well region 42, the p-type JTE region 40, and the n-type source region 80 are formed at predetermined positions on the surface of the drift layer 70 by ion implantation. Form. Al (aluminum) or B (boron) is suitable as the p-type impurity for ion implantation, and N (nitrogen) or P (phosphorus) is suitable as the n-type impurity for ion implantation. As the substrate 20 of silicon carbide semiconductor, a substrate whose first principal plane has a (0001) plane and has a 4H polytype and is tilted to 8 ° or less with respect to the c-axis direction is used. The plane orientation, polytype, and tilt angle may be used.

第1ウェル領域41および第2ウェル領域42の各々の深さは、エピタキシャル結晶成長層であるドリフト層70の底面より深くならないように設定する必要があり、例えば、0.5〜2μmの範囲の値とする。また、第1ウェル領域41および第2ウェル領域42の各々のp型不純物濃度は、エピタキシャル結晶成長層であるドリフト層70の不純物濃度より多く、かつ、1×1015cm-3〜1×1019cm-3の範囲内に設定される。
ソース領域80の深さについては、その底面が第2ウェル領域42の底面を越えないように設定し、そのn型不純物濃度は、第2ウェル領域42のp型不純物濃度より高く、かつ、1×1017cm-3〜1×1021cm-3の範囲内に設定される。
ただし、ドリフト層70の最表面近傍に限っては、炭化珪素MOSFETのチャネル領域における導電性を高めるために、第1ウェル領域41および第2ウェル領域42の各々のp型不純物濃度がドリフト層70のn型不純物濃度より低くなってもよい。
The depth of each of the first well region 41 and the second well region 42 needs to be set so as not to be deeper than the bottom surface of the drift layer 70 which is an epitaxial crystal growth layer. For example, the depth is in the range of 0.5 to 2 μm. Value. In addition, the p-type impurity concentration of each of the first well region 41 and the second well region 42 is higher than the impurity concentration of the drift layer 70 that is an epitaxial crystal growth layer, and is 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 6. It is set within the range of 19 cm −3 .
The depth of the source region 80 is set so that its bottom surface does not exceed the bottom surface of the second well region 42, its n-type impurity concentration is higher than the p-type impurity concentration of the second well region 42, and 1 It is set within the range of × 10 17 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .
However, only in the vicinity of the outermost surface of drift layer 70, the p-type impurity concentration of each of first well region 41 and second well region 42 is different from drift layer 70 in order to increase the conductivity in the channel region of silicon carbide MOSFET. The n-type impurity concentration may be lower.

つづいて、アルゴン(Ar)ガスまたは窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中、または、真空中で、1500〜2200℃の温度範囲、0.5〜60分の範囲の時間のアニールを行ない、イオン注入された不純物を電気的に活性化させる。   Subsequently, annealing is performed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas or nitrogen gas, or in vacuum, in a temperature range of 1500 to 2200 ° C. and for a time in a range of 0.5 to 60 minutes, and ion implantation is performed. The activated impurities are electrically activated.

次に、上記のようにイオン注入されたドリフト層70の表面を犠牲酸化することにより熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜をフッ酸により除去することにより、イオン注入されたドリフト層70の表面変質層を除去して清浄な面を露出させる。つづいて、CVD法、フォトリソグラフィー技術などを用いて、セル領域14を中心とする活性領域を開口して、セル領域14以外の領域にフィールド酸化膜33とよばれる膜厚が0.5〜2μm程度の二酸化珪素膜を形成する。セル領域14を中心とする活性領域には、熱酸化法または堆積法を用いてフィールド酸化膜33より厚さが1/10程度の二酸化珪素膜で構成されるゲート絶縁膜32を形成する。
ゲート絶縁膜32の膜厚として30nm以上300nm以下であれば良く、より好ましくは50nm以上150nm以下であればよい。なお、この膜厚値は、どの程度のゲート電圧及びゲート電界でMOSFETを駆動(スイッチング動作)させるかに依存し、好ましくはゲート電界として3MV/cm以下の大きさであればよい。
Next, a thermal oxide film is formed by sacrificing the surface of the drift layer 70 ion-implanted as described above, and the thermal oxide film is removed by hydrofluoric acid to thereby form the ion-implanted drift layer 70. The surface alteration layer is removed to expose a clean surface. Subsequently, an active region centered on the cell region 14 is opened by using a CVD method, a photolithography technique, or the like, and a film thickness called a field oxide film 33 is 0.5 to 2 μm in a region other than the cell region 14. A silicon dioxide film of a degree is formed. A gate insulating film 32 composed of a silicon dioxide film having a thickness of about 1/10 of that of the field oxide film 33 is formed in the active region centering on the cell region 14 by thermal oxidation or deposition.
The thickness of the gate insulating film 32 may be 30 nm or more and 300 nm or less, and more preferably 50 nm or more and 150 nm or less. This film thickness value depends on how much gate voltage and gate electric field drive (switching operation) the MOSFET, and preferably has a gate electric field of 3 MV / cm or less.

つづいて、ゲート絶縁膜32およびフィールド酸化膜33の上に、CVD法、フォトリソグラフィー技術などを用いて所定の箇所に、多結晶シリコン材料のゲート電極21〜23を形成する。このゲート電極21〜23に用いられる多結晶シリコンは、PやBが含まれて低抵抗であることが望ましい。PやBは多結晶シリコンの成膜中に導入してもよいし、成膜後にイオン注入法などによって導入してもよい。また、ゲート電極21〜23は、多結晶シリコンと金属との多層膜、または、多結晶シリコンと金属シリサイドとの多層膜であってもよい。
なお、ゲート電極21〜23の最外端面は、フィールド酸化膜33上にあるように配置してもよい。このようにすることで、ドライエッチング処理による端面のオーバーエッチングによって端面でむき出しになるゲート絶縁膜32の品質劣化を防ぐことができる。
Subsequently, gate electrodes 21 to 23 made of a polycrystalline silicon material are formed on the gate insulating film 32 and the field oxide film 33 at predetermined positions using a CVD method, a photolithography technique, or the like. The polycrystalline silicon used for the gate electrodes 21 to 23 preferably contains P or B and has a low resistance. P and B may be introduced during the film formation of the polycrystalline silicon, or may be introduced by an ion implantation method after the film formation. The gate electrodes 21 to 23 may be a multilayer film of polycrystalline silicon and metal, or a multilayer film of polycrystalline silicon and metal silicide.
Note that the outermost end surfaces of the gate electrodes 21 to 23 may be disposed on the field oxide film 33. By doing so, it is possible to prevent the quality deterioration of the gate insulating film 32 exposed at the end face due to the over-etching of the end face by the dry etching process.

次に、ゲート電極21〜23などの上に、CVD法などの堆積法により二酸化珪素膜で構成される層間絶縁膜35を形成する。つづいて、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術を用いて、ウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61となる箇所の層間絶縁膜35を除去する。
次に、スパッタ法などによるNiを主成分とする金属膜の形成につづいて600〜1100℃の温度の熱処理を行ない、Niを主成分とする金属膜と炭化珪素層とを反応させて、炭化珪素層と金属膜との間にシリサイドを形成する。つづいて、反応してできたシリサイド以外の層間絶縁膜35上に残留した金属膜を、硫酸、硝酸、塩酸のいずれか、またはこれらと過酸化水素水との混合液などによるウェットエッチングにより除去する。
このようにしてウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61内に形成されたシリサイドは、図6に示すようにオーミック電極63、64となり、ソース領域80などのn型の炭化珪素領域と、第1ウェル領域41などのp型の炭化珪素領域の両方に対してオーミック接続する。
Next, an interlayer insulating film 35 made of a silicon dioxide film is formed on the gate electrodes 21 to 23 by a deposition method such as a CVD method. Subsequently, the interlayer insulating film 35 at the portions that become the well contact hole 60 and the source contact hole 61 is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique.
Next, heat treatment at a temperature of 600 to 1100 ° C. is performed following the formation of the metal film mainly containing Ni by sputtering or the like, and the metal film mainly containing Ni reacts with the silicon carbide layer to carbonize. Silicide is formed between the silicon layer and the metal film. Subsequently, the metal film remaining on the interlayer insulating film 35 other than the silicide formed by the reaction is removed by wet etching using sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, or a mixed solution of these and hydrogen peroxide. .
The silicide formed in the well contact hole 60 and the source contact hole 61 in this way becomes ohmic electrodes 63 and 64 as shown in FIG. 6, and the n-type silicon carbide region such as the source region 80 and the first well. Ohmic connection is made to both p-type silicon carbide regions such as region 41.

さらに、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術を用いて、ゲートコンタクトホール31となる箇所の層間絶縁膜35を除去する。つづいて、基板20の裏面(第2の主面)にNiを主成分とする金属を形成、熱処理することにより、基板20の裏側に裏面オーミック電極65を形成する。
その後、基板の表面にAl等の配線金属をスパッタ法または蒸着法により形成し、フォトリソグラフィー技術により所定の形状に加工することで、ソースパッド10、ゲートパッド11、ゲート配線12を形成する。さらに、基板の裏面の裏面オーミック電極65の表面上に金属膜を形成することによりドレイン電極13を形成し、図6にその断面図を示した電力用半導体装置100が製造できる。
Further, the interlayer insulating film 35 at a location that becomes the gate contact hole 31 is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique. Subsequently, a back surface ohmic electrode 65 is formed on the back side of the substrate 20 by forming a metal mainly composed of Ni on the back surface (second main surface) of the substrate 20 and performing heat treatment.
Thereafter, a wiring metal such as Al is formed on the surface of the substrate by sputtering or vapor deposition, and processed into a predetermined shape by a photolithography technique, thereby forming the source pad 10, the gate pad 11, and the gate wiring 12. Furthermore, the drain electrode 13 is formed by forming a metal film on the surface of the back ohmic electrode 65 on the back surface of the substrate, and the power semiconductor device 100 whose sectional view is shown in FIG. 6 can be manufactured.

次に、主に図7を用いて本実施の形態の電力用半導体装置100の動作について説明する。図7は、図2に示した上面図に、MOSFETをオン状態からオフ状態にスイッチングした際に発生する変位電流の流れを矢印15で模式的に追記したものである。
本発明の電力用半導体装置100においては、図7に示すように、MOSFETを構成するユニットセルが複数並列に形成されたセル領域14の周囲に、pnダイオード(図7のウェルコンタクトホール60の位置に対応)が複数並列に設けられている。ここで、MOSFET(本実施の形態ではn型MOSFET)のソースがpnダイオードの第2導電型(本実施の形態ではp型)の電極と、また、MOSFET(本実施の形態ではn型MOSFET)のドレインがpnダイオードの第1導電型(本実施の形態ではn型)の電極と一体になっている。
Next, the operation of the power semiconductor device 100 of the present embodiment will be described mainly with reference to FIG. FIG. 7 is a top view shown in FIG. 2 in which the flow of displacement current generated when the MOSFET is switched from the on state to the off state is schematically added with an arrow 15.
In the power semiconductor device 100 of the present invention, as shown in FIG. 7, a pn diode (position of the well contact hole 60 in FIG. 7) is formed around a cell region 14 in which a plurality of unit cells constituting a MOSFET are formed in parallel. Are provided in parallel. Here, the source of the MOSFET (n-type MOSFET in the present embodiment) is a second conductive type (p-type in the present embodiment) of a pn diode, and the MOSFET (n-type MOSFET in the present embodiment). Are integrated with the first conductivity type (in this embodiment, n-type) electrode of the pn diode.

いま、MOSFETのゲート(本実施の形態においてはゲートパッド11)に印加する電圧を、MOSFETがオン状態からオフ状態にスイッチングするように変化させたとき、MOSFETのドレイン(本実施の形態においてはドレイン電極13)の電圧が急激に上昇し、略0Vから数百Vにまで変化する。そうすると、p型の第1ウェル領域41、第2ウェル領域42、JTE領域40と、n型のドリフト層70との間のそれぞれに発生する寄生容量を介して、変位電流がp型、n型の両方の領域に流れる。p型の領域では、p型の第1ウェル領域41、第2ウェル領域42などから、ソースパッド10に向けて変位電流が流れる。   Now, when the voltage applied to the gate of the MOSFET (the gate pad 11 in this embodiment) is changed so that the MOSFET switches from the on state to the off state, the drain of the MOSFET (the drain in this embodiment) The voltage of the electrode 13) rises rapidly and changes from approximately 0V to several hundred volts. Then, the displacement current is p-type and n-type via the parasitic capacitance generated between the p-type first well region 41, the second well region 42, the JTE region 40, and the n-type drift layer 70, respectively. Flowing in both areas. In the p-type region, a displacement current flows from the p-type first well region 41, the second well region 42, and the like toward the source pad 10.

この変位電流により、変位電流が流れる領域の抵抗値と変位電流の値で決まる電圧が発生するが、第2ウェル領域42の面積は大きくないため、その領域の抵抗値も大きくなく、発生する電圧もある程度の値に留まる。一方、第1ウェル領域41とこれにつながるJTE領域40とを合わせたp型の領域は面積が大きいため、ソースパッド10に接続するウェルコンタクトホール60との距離が大きい箇所で発生した変位電流が、ウェルコンタクトホール60のオーミック電極64に流れ込むところで、大きな電位の電圧が発生する。   This displacement current generates a voltage determined by the resistance value and the displacement current value of the region through which the displacement current flows. However, since the area of the second well region 42 is not large, the resistance value of the region is not large, and the generated voltage Also stays at some value. On the other hand, since the p-type region including the first well region 41 and the JTE region 40 connected to the first well region 41 has a large area, a displacement current generated at a location where the distance from the well contact hole 60 connected to the source pad 10 is large. When the well contact hole 60 flows into the ohmic electrode 64, a large potential voltage is generated.

MOSFETをオン状態からオフ状態にスイッチングした際に発生する変位電流は、セル領域14の周囲に均一に発生するのではなく、図7の矢印15で示すように、セル領域14が上面から見て凸形状、すなわち、第1ウェル領域41の境界の形状が凹形状である箇所、図7では点線で囲ったC1〜C6のコーナー部で変位電流が集中する。
加えて、ゲートパッド11の下部に対応する位置には面積の大きな第1ウェル領域41が存在するために、発生する変位電流の値も大きくなる。
The displacement current generated when the MOSFET is switched from the on state to the off state is not uniformly generated around the cell region 14, but as shown by the arrow 15 in FIG. Displacement current concentrates at a convex shape, that is, at a portion where the boundary shape of the first well region 41 is a concave shape, that is, at the corner portions C1 to C6 surrounded by a dotted line in FIG.
In addition, since the first well region 41 having a large area exists at a position corresponding to the lower portion of the gate pad 11, the value of the generated displacement current also increases.

本実施の形態の電力用半導体装置100においては、図7のC1〜C6に示されるような第1ウェル領域41の境界の形状が凹形状である箇所に、図5で説明したように、上部から見て第1ウェル領域41の境界の形状が直線状である箇所より、第1ウェル領域41の周りの境界の単位長さ当たりにウェルコンタクトホール60を多く配置しているので、第1ウェル領域41の境界の形状が凹形状である箇所におけるソースパッド10と第1ウェル領域41との間の抵抗を全体として低減でき、スイッチング時に変位電流が流れることによって発生する電圧を低下させることができる。   In the power semiconductor device 100 according to the present embodiment, as described in FIG. 5, the upper portion of the boundary of the first well region 41 as shown in C <b> 1 to C <b> 6 in FIG. More well contact holes 60 are arranged per unit length of the boundary around the first well region 41 than where the boundary shape of the first well region 41 is linear as viewed from the first well region 41. The resistance between the source pad 10 and the first well region 41 at the portion where the boundary shape of the region 41 is concave can be reduced as a whole, and the voltage generated by the displacement current flowing during switching can be reduced. .

したがって、MOSFETのゲートパッド11の電圧のスイッチング速度を10V/nsec以上の速度でスイッチオフした場合においても、変位電流によって発生する電圧を低減することができ、ゲート絶縁膜32に誘起される電界の大きさを3MV/cm以下にすることができる。そして、第1ウェル領域41に接しその上部にゲート電極21が設けられているゲート絶縁膜32が絶縁破壊するのを抑制することができる。
このように、本発明の本実施の形態の電力用半導体装置100によれば、高速でスイッチングした場合にもゲート絶縁膜32の絶縁不良が発生せず、高い信頼性の半導体装置を得ることができる。
Therefore, even when the switching speed of the voltage of the gate pad 11 of the MOSFET is switched off at a speed of 10 V / nsec or more, the voltage generated by the displacement current can be reduced, and the electric field induced in the gate insulating film 32 can be reduced. The size can be 3 MV / cm or less. Then, it is possible to suppress the dielectric breakdown of the gate insulating film 32 that is in contact with the first well region 41 and has the gate electrode 21 provided thereon.
As described above, according to the power semiconductor device 100 of the present embodiment of the present invention, even when switching is performed at a high speed, the gate insulating film 32 does not cause an insulation failure, and a highly reliable semiconductor device can be obtained. it can.

なお、本実施の形態の電力用半導体装置100においては、オーミック電極64と第1ウェル領域41との間の接触抵抗、オーミック電極63と第2ウェル領域42との間の接触抵抗を下げるための特別な構成を設けていなかったが、接触抵抗を下げるための別の構成を設けてもよい。例えば図8に示すように、オーミック電極63と第2ウェル領域42との間の接触抵抗を下げるために、ソースコンタクトホール61の下部の第2ウェル領域42の表層に、p型不純物濃度が第2ウェル領域42のそれより多い、例えば、p型不純物濃度が1×1020cm-3以上の低抵抗のウェルコンタクト領域46を設けてもよい。また、ウェルコンタクトホール60の下部の第1ウェル領域41の表層に、第1ウェル領域41のそれより多い、例えば、p型不純物濃度が1×1020cm-3以上の低抵抗のウェルコンタクト領域47を設けてもよい。 In the power semiconductor device 100 of the present embodiment, the contact resistance between the ohmic electrode 64 and the first well region 41 and the contact resistance between the ohmic electrode 63 and the second well region 42 are reduced. Although no special configuration has been provided, another configuration for reducing the contact resistance may be provided. For example, as shown in FIG. 8, in order to reduce the contact resistance between the ohmic electrode 63 and the second well region 42, the p-type impurity concentration is increased in the surface layer of the second well region 42 below the source contact hole 61. A low-resistance well contact region 46 having a p-type impurity concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more, for example, higher than that of the 2-well region 42 may be provided. Further, the surface layer of the first well region 41 below the well contact hole 60 has a lower resistance well contact region having a p-type impurity concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more than that of the first well region 41. 47 may be provided.

このように、低抵抗でp型のウェルコンタクト領域46、47を設けることにより、第1ウェル領域41、第2pウェル領域42からオーミック電極63,64を経由してソースパッド10に至る電流経路の抵抗値を下げ、変位電流が流れるときに発生する電圧をより低下させることができる。   Thus, by providing the p-type well contact regions 46 and 47 with low resistance, the current path from the first well region 41 and the second p well region 42 to the source pad 10 via the ohmic electrodes 63 and 64 is improved. The resistance value can be lowered, and the voltage generated when the displacement current flows can be further reduced.

また、本実施の形態の電力用半導体装置100の製造方法の説明において、ウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61の形成とゲートコンタクトホール31の形成とは別々に行なうとしたが、ウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61の形成とゲートコンタクトホール31の形成とを同時に行なってもよい。ウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61の形成とゲートコンタクトホール31形成とを同時に形成することにより、工程を削減でき製造時のコスト削減が可能になる。   In the description of the method for manufacturing power semiconductor device 100 of the present embodiment, the formation of well contact hole 60 and source contact hole 61 and the formation of gate contact hole 31 are performed separately. The source contact hole 61 and the gate contact hole 31 may be formed at the same time. By forming the well contact hole 60 and the source contact hole 61 and the gate contact hole 31 at the same time, the number of steps can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.

さらに、本実施の形態の電力用半導体装置100の製造方法の説明において、表面側のオーミック電極63、64の形成の熱処理と、裏面側の裏面オーミック電極65の形成の熱処理は、別々に行なうとしたが、表面側と裏面側との両方にNiを主成分とする金属を形成した後に熱処理し、表面側のオーミック電極63、64と裏面側の裏面オーミック電極65とを同時に形成してもよい。このようにすることによっても、工程を削減でき製造時のコスト削減が可能になる。   Furthermore, in the description of the method for manufacturing power semiconductor device 100 of the present embodiment, the heat treatment for forming ohmic electrodes 63 and 64 on the front surface side and the heat treatment for forming back ohmic electrode 65 on the back surface side are performed separately. However, the surface-side ohmic electrodes 63 and 64 and the back-side back-side ohmic electrode 65 may be formed simultaneously by forming a metal containing Ni as a main component on both the front-side and the back-side. . This also reduces the number of processes and makes it possible to reduce manufacturing costs.

なお、本実施の形態においては、ウェルコンタクトホール60は、全て同じ面積のものを並べたものを用い、また、ソースコンタクトホール61の面積とウェルコンタクトホール60の面積も同じとした。このようにすることにより、ウェルコンタクトホール60、ソースコンタクトホール61形成のドライエッチング時の各孔におけるエッチング速度を均一にすることができ、コンタクト不良の発生を抑えることができる。   In the present embodiment, the well contact holes 60 are all arranged with the same area, and the source contact hole 61 and the well contact hole 60 have the same area. By doing in this way, the etching rate in each hole at the time of dry etching for forming the well contact hole 60 and the source contact hole 61 can be made uniform, and the occurrence of contact failure can be suppressed.

また、電力用半導体装置100においては、温度センサー用の電極および電流センサー用の電極が電力用半導体装置100の一部に形成される場合があるが、本実施の形態における電力用半導体装置100にこれらの電極が形成されていてもよい。温度センサー用の電極、電流センサー用の電極の有無が、本実施の形態の電力用半導装置100の効果に何ら影響を及ぼすものではない。
さらに、ゲートパッド11の位置、個数およびソースパッド10の形状等も多種多様のケースが有り得るが、これらも、上記の電流センサー用電極等の有無と同様に、本実施の形態の電力用半導装置100の効果に何ら影響を及ぼすものではない。
In the power semiconductor device 100, the temperature sensor electrode and the current sensor electrode may be formed in part of the power semiconductor device 100. These electrodes may be formed. The presence / absence of the temperature sensor electrode and the current sensor electrode does not affect the effect of the power semiconductor device 100 of the present embodiment.
Furthermore, there may be a wide variety of cases such as the position and number of the gate pads 11 and the shape of the source pad 10, and these are the same as the above-described presence or absence of the current sensor electrode, etc. The effect of the device 100 is not affected at all.

また、図示して説明はしないが、電力用半導装置100の上部表面のソースパッド10、ゲートパッド11、ゲート配線12を、外部の制御回路と接続できるような開口を残して、シリコン窒化膜やポリイミドなどの保護膜で覆っても良い。   Although not shown and described, the silicon nitride film is left with openings that allow the source pad 10, gate pad 11, and gate wiring 12 on the upper surface of the power semiconductor device 100 to be connected to an external control circuit. Or a protective film such as polyimide.

さらに、本実施の形態の電力用半導体装置100においては、ゲート電極21〜23の材料として不純物添加多結晶シリコンを使用した例を説明したが、不純物添加多結晶シリコンの抵抗は十分に低くないため、ゲートパッド11との接続位置から離れた箇所のゲート電極21〜23の電位は、ゲートパッド11、ゲート配線12の電位との間に時間的なずれを生じる場合がある。この時間的なずれは、ゲート電極21〜23の抵抗などの抵抗成分およびソースパッド10などとの間にできる寄生容量で定まる時定数によって決まる。本実施の形態においては、ゲート配線12下部のゲート電極22に低抵抗のゲート配線12を並列に設けることによって、上記のような時間的ずれの発生を抑制している。   Furthermore, in power semiconductor device 100 of the present embodiment, an example in which doped polycrystalline silicon is used as the material of gate electrodes 21 to 23 has been described. However, the resistance of doped polycrystalline silicon is not sufficiently low. In some cases, the potentials of the gate electrodes 21 to 23 located away from the connection position with the gate pad 11 may be temporally shifted from the potentials of the gate pad 11 and the gate wiring 12. This temporal shift is determined by a time constant determined by a resistance component such as the resistance of the gate electrodes 21 to 23 and a parasitic capacitance formed between the source electrode 10 and the like. In the present embodiment, the low-resistance gate line 12 is provided in parallel to the gate electrode 22 below the gate line 12 to suppress the occurrence of the time lag as described above.

実施の形態2.
図9は、本発明の実施の形態2の電力用半導体装置100の一部の深さ方向の一断面を上面から模式的見た平面図で、主にゲート絶縁膜32およびフィールド酸化膜33より下層の炭化珪素層で構成される領域を説明した図である。図9において、セル領域14が上部から見て凸形状、すなわち、第1ウェル領域41が上部から見て凹形状になっているコーナー部で、コーナー部の交わる二辺に対してコーナー部に新たな辺である橋渡し境界を設け、もとの辺と交わる角度を小さく、角度を緩やかにしている点が、本実施の形態の電力用半導体装置100の特徴である。その他の点については実施の形態1と同様であるので、詳しい説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a plan view of a partial cross section in the depth direction of the power semiconductor device 100 according to the second embodiment of the present invention as viewed from above, mainly from the gate insulating film 32 and the field oxide film 33. It is the figure explaining the area | region comprised with a lower silicon carbide layer. In FIG. 9, the cell region 14 has a convex shape when viewed from the top, that is, the first well region 41 has a concave shape when viewed from the top. A feature of the power semiconductor device 100 according to the present embodiment is that a bridging boundary that is a simple side is provided, the angle that intersects the original side is small, and the angle is gentle. Since the other points are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

図9において、コーナー部以外でウェルコンタクトホール60が一重に配置されているのに対し、コーナー部ではウェルコンタクトホール60が三重、四重に配置されており、上部から見てセル領域14と第1ウェル領域41との境界が直線状である他の箇所と比較して、セル領域14の外周、すなわち、第1ウェル領域の周りの境界の単位長さ当たりにウェルコンタクトホール60が多く配置されている。図9に示したθaはコーナー部の直交する二辺に対してコーナー部に設けた新たな辺(橋渡し境界)が、もとの二辺の内の一辺と交わる角度を示すもので、図9においてθaはtan−11.0すなわち45°である。 In FIG. 9, the well contact holes 60 are arranged in a single layer except for the corner portion, whereas in the corner portions, the well contact holes 60 are arranged in triple and quadruple, and the cell region 14 and the first region are seen from above. Compared to other portions where the boundary with the first well region 41 is linear, more well contact holes 60 are arranged on the outer periphery of the cell region 14, that is, per unit length of the boundary around the first well region. ing. 9a represents the angle at which a new side (bridging boundary) provided at the corner portion intersects one side of the original two sides with respect to two orthogonal sides of the corner portion. Θa is tan −1 1.0 or 45 °.

本実施の形態の電力用半導体装置100によれば、スイッチングオフ時にコーナー部に集中して発生する変位電流を実施の形態1の電力用半導体装置よりもさらに分散させることができ、変位電流が流れるときに発生する電圧を低下させることができる。したがって、スイッチング時にゲート絶縁膜32にかかる電圧を低下させることができ、高い信頼性の電力用半導体装置100を得ることができる。   According to power semiconductor device 100 of the present embodiment, the displacement current generated in a concentrated manner at the corner portion when switching off can be further dispersed than the power semiconductor device of the first embodiment, and the displacement current flows. Sometimes the generated voltage can be reduced. Therefore, the voltage applied to the gate insulating film 32 at the time of switching can be reduced, and the highly reliable power semiconductor device 100 can be obtained.

なお、セル領域14内のユニットセルの配置方法は、正方形のユニットセルが格子状に並んだ図9に示したものである必要はなく、例えば、図10に示すように、隣接する列のユニットセルが互い違いに配置されてもよい。この場合、コーナー部の直交する二辺に対してコーナー部に設けた新たな辺がもとの二辺の内の一辺と交わる角度θbはおおよそ26.6°(tan-10.5)となるように配置することで、コーナー部にせり出した第1ウェル41に対するウェルコンタクトホール60をより多く配置することができる。
ユニットセルの配置方法が図9のようでも図10のようでも無い場合は、コーナー部の直交する二辺に対してコーナー部に設けた新たな辺がもとの二辺の内の一辺と交わる角度θは、tan-10.5以上tan-11.0以下とすればよい。
さらに、ユニットセルが長方形である場合は、ユニットセルの短辺の長さをa、ユニットセルの長辺の長さをbとして、θは、tan-1(b/2a)以上tan-11.0以下などとすればよい。
Note that the arrangement method of the unit cells in the cell region 14 does not have to be the one shown in FIG. 9 in which square unit cells are arranged in a grid pattern. For example, as shown in FIG. The cells may be arranged alternately. In this case, an angle θb at which a new side provided in the corner portion intersects one of the original two sides with respect to two orthogonal sides of the corner portion is approximately 26.6 ° (tan −1 0.5). By arranging in such a way, it is possible to arrange more well contact holes 60 for the first well 41 protruding to the corner portion.
When the unit cell arrangement method is neither as shown in FIG. 9 nor as shown in FIG. 10, a new side provided in the corner portion intersects one side of the original two sides with respect to the two orthogonal sides of the corner portion. The angle θ may be tan −1 0.5 or more and tan −1 1.0 or less.
Further, when the unit cell is a rectangle, the length of the short side of the unit cell is a, the length of the long side of the unit cell is b, and θ is tan −1 (b / 2a) or more tan −1 1 0.0 or less.

実施の形態3.
図11は、本発明の実施の形態3の電力用半導体装置100の一部の深さ方向の一断面を上面から模式的見た平面図である。図11において、ゲートパッド11の下方の第1ウェル領域41の周囲に配置されているウェルコンタクトホール60の第1ウェル領域41の周りの境界の単位長さ当たりの数が、ゲートパッド10の下方以外の第1ウェル領域41の周囲に配置されているウェルコンタクトホール60の第1ウェル領域41の周りの境界の単位長さ当たりの数より多いことを特徴としており、その他の詳細な事項は実施の形態1と同様であるので、詳しい説明は省略する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 11 is a plan view schematically showing one cross-section in the depth direction of a part of the power semiconductor device 100 according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 11, the number per unit length of the boundary around the first well region 41 of the well contact hole 60 arranged around the first well region 41 below the gate pad 11 is below the gate pad 10. The number of well contact holes 60 arranged around the first well region 41 is larger than the number of boundaries per unit length around the first well region 41, and other detailed matters are implemented. Therefore, detailed description thereof is omitted.

図11に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置100によれば、ゲートパッド11の下方の第1ウェル領域41の周囲に配置されているウェルコンタクトホール60の第1ウェル領域41の周りの境界の単位長さ当たりの数が、ゲートパッド10の下方以外の第1ウェル領域41の周囲に配置されているウェルコンタクトホール60の第1ウェル領域41の周りの境界の単位長さ当たりの数より多いので、面積の大きなゲートパッド11の下方の第1ウェル領域41の周囲でスイッチング時に発生する電圧を低下させることができる。   As shown in FIG. 11, according to the power semiconductor device 100 of the present embodiment, the first well region 41 of the well contact hole 60 arranged around the first well region 41 below the gate pad 11. The number per unit length of the surrounding boundary per unit length of the boundary around the first well region 41 of the well contact hole 60 disposed around the first well region 41 other than below the gate pad 10. Therefore, the voltage generated at the time of switching around the first well region 41 below the gate pad 11 having a large area can be reduced.

なお、図12の平面図に示すように、ゲートパッド11の下方の第1ウェル領域41の周囲のウェルコンタクトホール60を、一部を1列、一部を2列などと配置しても、同様の効果を奏することができる。   Note that, as shown in the plan view of FIG. 12, even if the well contact holes 60 around the first well region 41 below the gate pad 11 are partly arranged in one row and partly in two rows, Similar effects can be achieved.

また、図13の平面図に示すように、MOSFETのユニットセルを敷き詰め、第1ウェル領域を41セル領域14方向に延長することによって、コーナー部のウェルコンタクトホール60の数を実効的に増加させてもよい。図13の上面図を断面方向から見た断面図を図14に示す。   Further, as shown in the plan view of FIG. 13, the number of well contact holes 60 in the corner portion is effectively increased by spreading MOSFET unit cells and extending the first well region toward the 41 cell region 14. May be. FIG. 14 is a cross-sectional view of the top view of FIG. 13 viewed from the cross-sectional direction.

なお、図15の平面図および図16の断面図に示すように、ウェルコンタクトホール60の下方におけるウェルコンタクト領域47をユニットセルのウェルコンタクト領域46よりも面積を大きくしておいてもよい。このようにすることで、ウェルコンタクト領域47とオーミック電極64が接触する面積を大きくすることができその結果接触抵抗が下がり、さらに、第1ウェル領域41のシート抵抗も減るので、変位電流によって発生する電圧を低減することができる。   As shown in the plan view of FIG. 15 and the cross-sectional view of FIG. 16, the well contact region 47 below the well contact hole 60 may have a larger area than the well contact region 46 of the unit cell. By doing so, the contact area between the well contact region 47 and the ohmic electrode 64 can be increased. As a result, the contact resistance is lowered and the sheet resistance of the first well region 41 is also reduced. Voltage to be reduced.

また、図17の上面図および図18の断面図に示すように、ウェルコンタクトホール60の下方におけるウェルコンタクト領域47を全てつなげ、広い面積のものとしておいてもよい。このように、ウェルコンタクトホール60の下方におけるウェルコンタクト領域47の面積を広げることで、第1ウェル領域41のシート抵抗がさらに低下することによってウェルコンタクト領域47からオーミック電極64を経てソースパッド10に至る経路の抵抗を低減でき、変位電流による電位上昇を減らすことができる。
さらに、図17〜18の例では、フィールド酸化膜33のエッジ(ゲート絶縁膜フィールド酸化膜境界30)からの距離を等間隔となるようにウェルコンタクト領域47を形成することで、変位電流の分布のアンバランスを防ぐことができる。
Further, as shown in the top view of FIG. 17 and the cross-sectional view of FIG. 18, all well contact regions 47 below the well contact holes 60 may be connected to have a large area. In this way, by increasing the area of the well contact region 47 below the well contact hole 60, the sheet resistance of the first well region 41 is further reduced, so that the ohmic electrode 64 passes from the well contact region 47 to the source pad 10. The resistance of the route to reach can be reduced, and the potential increase due to the displacement current can be reduced.
Further, in the example of FIGS. 17 to 18, the well contact region 47 is formed so that the distance from the edge of the field oxide film 33 (gate insulating film field oxide film boundary 30) is equal, thereby distributing the displacement current. Can be prevented.

実施の形態4.
図19は、本発明の実施の形態3の電力用半導体装置100の一部の深さ方向の一断面を上面から模式的見た平面図である。図19において、コーナー部のウェルコンタクトホール60の面積がコーナー部以外のウェルコンタクトホール60の面積、ソースコンタクトホール61の面積より大きいことが特徴であり、その他の詳細な事項は実施の形態1と同様であるので、詳しい説明は省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 19 is a plan view schematically showing one cross section in the depth direction of a part of the power semiconductor device 100 according to the third embodiment of the present invention from the upper surface. In FIG. 19, the area of the well contact hole 60 at the corner is larger than the area of the well contact hole 60 other than the corner and the area of the source contact hole 61. Other detailed matters are the same as those of the first embodiment. Since it is the same, detailed description is abbreviate | omitted.

図19においては、正方形のユニットセルが格子状に規則的に並んだセル領域14の周囲で第1ウェル領域41の境界の形状が凹形状である箇所に、上部から見て第1ウェル領域41の境界の形状が直線状である箇所より、面積の大きなウェルコンタクトホール60が形成されている。   In FIG. 19, the first well region 41 is seen around the cell region 14 in which square unit cells are regularly arranged in a lattice shape, and the boundary of the first well region 41 has a concave shape as viewed from above. A well contact hole 60 having a larger area is formed than a portion where the shape of the boundary is linear.

本実施の形態の電力用半導体装置100によっても、実施の形態1〜3の電力用半導体装置100と同様に、コーナー部に変位電流が流れるときに発生する電圧を低下させることができる。したがって、スイッチング時にゲート絶縁膜にかかる電圧を低下させることができ、高い信頼性の電力用半導体装置100を得ることができる。   Also with the power semiconductor device 100 of the present embodiment, the voltage generated when the displacement current flows in the corner portion can be reduced, as in the power semiconductor device 100 of the first to third embodiments. Therefore, the voltage applied to the gate insulating film at the time of switching can be reduced, and the highly reliable power semiconductor device 100 can be obtained.

なお、コーナー部のウェルコンタクトホール60の面積がソースコンタクトホール61の面積より大きければ、図20に示すように、コーナー部の凸部の角度が小さくなるように、コーナー部の直交する二辺に対してコーナー部に設けた新たな辺を設けてもよい。また、図21に示すように、コーナー部のウェルコンタクトホール60を何重かに増やしてもよい。   If the area of the well contact hole 60 in the corner portion is larger than the area of the source contact hole 61, as shown in FIG. On the other hand, a new side provided in the corner portion may be provided. Further, as shown in FIG. 21, the well contact hole 60 in the corner may be increased several times.

本実施の形態の電力用半導体装置100によれば、同じ面積のウェルコンタクトホール60の数を簡単に増加させることが困難なレイアウトの場合においても、容易に、変位電流が流れるときに発生する電圧を低下させることができる。したがって、スイッチング時にゲート絶縁膜32にかかる電圧を低下させることができ、高い信頼性の電力用半導体装置100を得ることができる。   According to power semiconductor device 100 of the present embodiment, even when the layout is difficult to easily increase the number of well contact holes 60 having the same area, the voltage generated when displacement current flows easily. Can be reduced. Therefore, the voltage applied to the gate insulating film 32 at the time of switching can be reduced, and the highly reliable power semiconductor device 100 can be obtained.

なお、これまでの実施の形態1〜4では、炭化珪素半導体を用いた電力用半導体装置100の例を用いて説明したが、これは例示に過ぎず、他の材料で構成される電力用半導体装置100であっても同様の効果を奏する。   In the first to fourth embodiments described above, the example of power semiconductor device 100 using a silicon carbide semiconductor has been described. However, this is merely an example, and a power semiconductor composed of another material. Even the device 100 has the same effect.

また、上記実施の形態1〜4では、セル領域14に形成する半導体素子が縦型のMOSFETである場合を開示しているが、例えば図6に示す炭化珪素半導体基板20と裏面側の裏面オーミック電極65との間に第2導電型のコレクタ層を設けることによりIGBTのセル領域14を有する半導体素子を構成しても、上述した本発明の効果がIGBTのセル領域を有する半導体素子に対しても同様に奏される。したがって、本発明の効力が及ぶ範囲は、MOSFETあるいはIGBT等のMOS構造を有するスイッチング素子としての半導体素子である。なお、半導体素子がIGBTの場合には、MOSFETのドレイン(電極)がコレクタ(電極)に相当し、MOSFETのソース(電極)がエミッタ(電極)に相当する。   In the first to fourth embodiments, the case where the semiconductor element formed in the cell region 14 is a vertical MOSFET is disclosed. For example, the silicon carbide semiconductor substrate 20 shown in FIG. Even if the semiconductor element having the IGBT cell region 14 is configured by providing the collector layer of the second conductivity type between the electrode 65 and the electrode 65, the above-described effects of the present invention can be achieved with respect to the semiconductor element having the IGBT cell region. Is played in the same way. Therefore, the scope of the present invention is a semiconductor element as a switching element having a MOS structure such as MOSFET or IGBT. When the semiconductor element is an IGBT, the drain (electrode) of the MOSFET corresponds to the collector (electrode), and the source (electrode) of the MOSFET corresponds to the emitter (electrode).

さらに、本発明においては、実施の形態1〜4で記載したMOSFET構造を有する半導体素子自体を狭義の意味で「半導体装置」と定義するほか、例えば、このMOSFET構造を有する半導体素子と、この半導体素子に対して逆並列に接続されるフリーホイールダイオードと、この半導体素子のゲート電圧を生成、印加する制御回路等と共にリードフレームに搭載して封止されたインバータモジュールのような、半導体素子を組み込んだパワーモジュール自体をも、広義の意味で「半導体装置」と定義する。   Furthermore, in the present invention, the semiconductor element itself having the MOSFET structure described in the first to fourth embodiments is defined as a “semiconductor device” in a narrow sense. For example, the semiconductor element having the MOSFET structure and the semiconductor Incorporate a semiconductor element such as a freewheel diode connected in antiparallel to the element and an inverter module that is mounted on a lead frame and sealed together with a control circuit that generates and applies the gate voltage of the semiconductor element. The power module itself is also defined as “semiconductor device” in a broad sense.

10 ソースパッド、11 ゲートパッド、12 ゲート配線、13 ドレイン電極、14 セル領域、20 基板、21,22,23 ゲート電極、30、ゲート絶縁膜フィールド酸化膜境界、31 ゲートコンタクトホール、32 ゲート絶縁膜、33 フィールド酸化膜、35 層間絶縁膜、40 JTE領域、41 第1ウェル領域、42 第2ウェル領域、46、47 ウェルコンタクト領域、60 ウェルコンタクトホール、61 ソースコンタクトホール、63、64 オーミック電極、65 裏面オーミック電極、70 ドリフト層、80 ソース領域、100 電力用半導体装置。   10 source pad, 11 gate pad, 12 gate wiring, 13 drain electrode, 14 cell region, 20 substrate, 21, 22, 23 gate electrode, 30, gate insulating film field oxide film boundary, 31 gate contact hole, 32 gate insulating film 33 Field oxide film, 35 Interlayer insulating film, 40 JTE region, 41 First well region, 42 Second well region, 46, 47 Well contact region, 60 Well contact hole, 61 Source contact hole, 63, 64 Ohmic electrode, 65 Back surface ohmic electrode, 70 drift layer, 80 source region, 100 power semiconductor device.

Claims (9)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の第1の主面に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域につながる第2導電型のJTE領域と、
前記ドリフト層の表層の一部に前記第1ウェル領域と離間して設けられた前記第1ウェル領域より上面から見た面積の小さな第2導電型の第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1ウェル領域および前記第2ウェル領域の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第1ウェル領域の表面上の一部に形成された、前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド酸化膜と、
前記ゲート絶縁膜および前記フィールド酸化膜に接して前記ドリフト層の反対側の上部に形成され、前記第1ウェル領域との間に前記ゲート絶縁膜を挟んだ箇所を有するゲート電極と、
前記第2ウェル領域および前記ソース領域の上部に設けられたソースコンタクトホールと、
前記第1ウェル領域の周辺部の上部に前記ゲート絶縁膜を貫通して設けられ、前記第1ウェル領域を上部から見てその境界が凹形状である箇所に、上部から見て境界が直線状である箇所より、前記第1ウェル領域の周りの境界の単位長さ当たりに多く配置された、同じ面積のウェルコンタクトホールと、
前記ソースコンタクトホールおよび前記ウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、
前記半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drift layer of a first conductivity type formed on the first main surface of the semiconductor substrate;
A first well region of a second conductivity type formed in a part of the surface layer of the drift layer;
A second conductivity type JTE region connected to the first well region;
A second well region of a second conductivity type having a smaller area as viewed from above the first well region provided in a part of a surface layer of the drift layer and spaced apart from the first well region;
A first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of the second well region;
A gate insulating film formed on the surfaces of the first well region and the second well region;
A field oxide film formed on a part of the surface of the first well region and having a thickness larger than that of the gate insulating film;
A gate electrode formed on the opposite side of the drift layer in contact with the gate insulating film and the field oxide film, and having a portion sandwiching the gate insulating film between the first well region;
A source contact hole provided above the second well region and the source region;
The gate insulating film is provided above the peripheral portion of the first well region, and the boundary is linear when viewed from the top where the first well region has a concave boundary when viewed from the top. A larger number of well contact holes of the same area disposed per unit length of the boundary around the first well region than
A source pad for electrically connecting the first well region and the second well region via the source contact hole and the well contact hole;
A gate pad electrically connected to the gate electrode;
A power semiconductor device comprising: a drain electrode provided on a second main surface of the semiconductor substrate.
第1ウェル領域を上部から見てその境界が凹形状である箇所は、凹形状が緩やかになるように橋渡し境界を設けた形状であることを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。 2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein a portion where the boundary of the first well region is concave when viewed from above has a shape in which a bridging boundary is provided so that the concave shape becomes gentle. . ゲートパッドの下部の第1ウェル領域の境界の単位長さ当たりのウェルコンタクトホールが前記ゲートパッドの下部以外の前記第1ウェル領域の境界の単位長さ当たりのウェルコンタクトホールより多いことを特徴とする請求項1または2に記載の電力用半導体装置。 The number of well contact holes per unit length at the boundary of the first well region under the gate pad is larger than the number of well contact holes per unit length at the boundary of the first well region other than the lower portion of the gate pad. The power semiconductor device according to claim 1 or 2. ゲートパッドの電圧を10V/nsec以上のスイッチング速度でスイッチオフするときに、第1ウェル領域とゲート電極との間に挟まれたゲート絶縁膜に誘起される電界が3MV/cm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の電力用半導体装置。   When the gate pad voltage is switched off at a switching speed of 10 V / nsec or more, the electric field induced in the gate insulating film sandwiched between the first well region and the gate electrode is 3 MV / cm or less. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the power semiconductor device is a power semiconductor device. 半導体基板が炭化珪素半導体基板であり、ドリフト層が炭化珪素材料で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電力用半導体装置。 3. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon carbide semiconductor substrate, and the drift layer is made of a silicon carbide material. 橋渡し境界と境界とが成す角度は、tan−10.5以上、tan−11.0以下であることを特徴とする請求項2に記載の電力用半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 2, wherein an angle formed by the bridge boundary and the boundary is tan −1 0.5 or more and tan −1 1.0 or less. ウェルコンタクトホールの下部の第1ウェル領域の表層に前記第1ウェル領域より抵抗率の低いウェルコンタクト領域を設けたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。 2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein a well contact region having a lower resistivity than the first well region is provided in a surface layer of the first well region below the well contact hole. ウェルコンタクト領域を上面から見た面積がウェルコンタクトホールを上面から見た面積より大きいことを特徴とする請求項7に記載の電力用半導体装置。 8. The power semiconductor device according to claim 7, wherein an area of the well contact region viewed from the upper surface is larger than an area of the well contact hole viewed from the upper surface. 第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の第1の主面に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域につながる第2導電型のJTE領域と、
前記ドリフト層の表層の一部に前記第1ウェル領域と離間して設けられた前記第1ウェル領域より上面から見た面積の小さな第2導電型の第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1ウェル領域および前記第2ウェル領域の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第1ウェル領域の表面上の一部に形成された、前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド酸化膜と、
前記ゲート絶縁膜および前記フィールド酸化膜に接して前記ドリフト層の反対側の上部に形成され、前記第1ウェル領域との間に前記ゲート絶縁膜を挟んだ箇所を有するゲート電極と、
前記第2ウェル領域および前記ソース領域の上部に設けられたソースコンタクトホールと、
前記第1ウェル領域の周辺部の上部に前記ゲート絶縁膜を貫通して設けられ、前記第1ウェル領域を上部から見てその境界が凹形状である箇所に、上部から見て境界が直線状である箇所より、一つ当たりの面積を大きくして複数配置された、ウェルコンタクトホールと、
前記ソースコンタクトホールおよび前記ウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、
前記半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drift layer of a first conductivity type formed on the first main surface of the semiconductor substrate;
A first well region of a second conductivity type formed in a part of the surface layer of the drift layer;
A second conductivity type JTE region connected to the first well region;
A second well region of a second conductivity type having a smaller area as viewed from above the first well region provided in a part of a surface layer of the drift layer and spaced apart from the first well region;
A first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of the second well region;
A gate insulating film formed on the surfaces of the first well region and the second well region;
A field oxide film formed on a part of the surface of the first well region and having a thickness larger than that of the gate insulating film;
A gate electrode formed on the opposite side of the drift layer in contact with the gate insulating film and the field oxide film, and having a portion sandwiching the gate insulating film between the first well region;
A source contact hole provided above the second well region and the source region;
The gate insulating film is provided above the peripheral portion of the first well region, and the boundary is linear when viewed from the top where the first well region has a concave boundary when viewed from the top. A plurality of well contact holes arranged with a larger area per area than
A source pad for electrically connecting the first well region and the second well region via the source contact hole and the well contact hole;
A gate pad electrically connected to the gate electrode;
A power semiconductor device comprising: a drain electrode provided on a second main surface of the semiconductor substrate.
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