JP2006269633A - Semiconductor device for power - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダイオード、MOSFET、IGBT、サイリスタ、トランジスタなどの電力用の高耐圧半導体装置の接合終端構造に関するものである。 The present invention relates to a junction termination structure of a high voltage semiconductor device for power, such as a diode, MOSFET, IGBT, thyristor, or transistor.
従来、高耐圧半導体装置は、高耐圧終端構造を有している。高耐圧ダイオードを例に示すと、この素子の基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域、N型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたP型アノード領域、N型ベース領域の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型カソード領域、P型アノード領域上に形成されたアノード電極及びN型カソード領域上に形成されたカソード電極から構成されたダイオード部と、このダイオード部を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたP型リング領域及びP型リング領域を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域から構成された電界緩和部(高耐圧終端構造)よりなっている。
この従来例の素子構造では、P型リング領域を最適な並べ方を設計して高耐圧を得ていた。しかし、この方法では印加電圧が高くなるとP型リング領域の本数も増加し、最適設計が難しくなるという問題があった。通常、各P型リング領域の電位は定まっておらず、高電圧が印加された場合、リングの数や間隔などの電界を均一に分散させるための設計は、高耐圧品になるほど困難である。
Conventionally, a high breakdown voltage semiconductor device has a high breakdown voltage termination structure. Taking a high-voltage diode as an example, the basic structure of this element is an N-type base region formed on a semiconductor substrate such as silicon, and a P-type anode region formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region. The N-type cathode region is formed on the surface region of the second main surface opposite to the first main surface of the N-type base region, the anode electrode is formed on the P-type anode region, and is formed on the N-type cathode region. A diode portion composed of a cathode electrode, a P-type ring region formed in a surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the diode portion, and an N-type base so as to surround the P-type ring region An electric field relaxation portion (high withstand voltage termination structure) composed of an N-type stopper region formed in the surface region of the first main surface of the region.
In this conventional device structure, a high breakdown voltage is obtained by designing an optimal arrangement of the P-type ring regions. However, this method has a problem that when the applied voltage increases, the number of P-type ring regions also increases, making it difficult to perform optimal design. Normally, the potential of each P-type ring region is not fixed, and when a high voltage is applied, the design for uniformly dispersing the electric field such as the number and interval of the rings is more difficult as the product has a higher breakdown voltage.
また、設計が旨くいった場合でも、半導体基板表面に形成された絶縁膜とN型ベース領域との界面に重金属汚染等に起因する界面準位が生成されると、最適条件から外れてしまうためプロセス時の外乱に弱いという問題があった。
従来技術が記載された特許文献1には、第1導電型高抵抗半導体層と、その第1の主面にリング状に形成された第2導電型低抵抗半導体層と、前記第1の主面の前記第2導電型半導体層から素子周辺部へ向かい間隔を開けて繰り返し設けられた第2導電型低抵抗半導体層からなり、この繰り返し設けられた第2導電型低抵抗半導体層の間に第2導電型高抵抗層を設けたことを特徴とする電力用半導体素子が開示されている。第2導電型高抵抗層は、電界集中領域を素子周辺側に移動させるために素子中央部付近での電界集中が緩和されて高耐圧化を図ることができる。
In Patent Document 1 describing the prior art, a first conductive type high resistance semiconductor layer, a second conductive type low resistance semiconductor layer formed in a ring shape on the first main surface thereof, and the first main type of high resistance semiconductor layer are described. The second conductive type low resistance semiconductor layer is repeatedly provided at a distance from the second conductive type semiconductor layer on the surface to the periphery of the element, and the second conductive type low resistance semiconductor layer is repeatedly provided. A power semiconductor device characterized by providing a second conductivity type high resistance layer is disclosed. Since the second conductivity type high resistance layer moves the electric field concentration region to the element peripheral side, the electric field concentration in the vicinity of the center of the element is relaxed, and a high breakdown voltage can be achieved.
本発明は、高温リーク電流が少なく、電位が固定されてプロセス外乱に強い高耐圧終端構造を有し、設計が容易な電力用半導体装置を提供する。 The present invention provides a power semiconductor device that has a high withstand voltage termination structure that has a low high-temperature leakage current, has a fixed potential, and is resistant to process disturbance, and is easy to design.
本発明の一態様である電力用半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された第1導電型ベース領域と、前記第1導電型ベース領域の第1主面の表面領域に選択的に形成された第2導電型ベース領域と、前記第2導電型ベース領域の周囲を所定の距離をおいて囲み、前記第1導電型ベース領域の第1主面の表面領域に形成された第1導電型ストッパ領域と、前記第2導電型ベース領域と前記第1導電型ストッパ領域との間に有り、前記第1導電型ベース領域の第1主面の表面領域に所定の間隔で形成された複数の第2導電型リング領域とを備え、前記複数の第2導電型リング領域は、前記第2導電型ベース領域と前記第1導電型ストッパ領域とを電気的に接続する第2導電型コンタクト領域と電気的に接続されていることを特徴としている。 A power semiconductor device according to one embodiment of the present invention is selectively applied to a semiconductor substrate, a first conductivity type base region formed in the semiconductor substrate, and a surface region of a first main surface of the first conductivity type base region. The second conductivity type base region formed on the first conductivity type base region is surrounded by a predetermined distance, and the second conductivity type base region is formed in a surface region of the first main surface of the first conductivity type base region. The first conductivity type stopper region is located between the second conductivity type base region and the first conductivity type stopper region, and is formed at a predetermined interval on the surface region of the first main surface of the first conductivity type base region. A plurality of second conductivity type ring regions, wherein the plurality of second conductivity type ring regions electrically connect the second conductivity type base region and the first conductivity type stopper region. Characterized by being electrically connected to the contact area To have.
本発明によれば、電力用半導体装置の設計が容易であり、高温リーク電流の少なく、コンタクト領域により電位を固定してプロセス外乱に強い終端構造を得ることができる。 According to the present invention, a power semiconductor device can be easily designed, a high temperature leakage current can be reduced, and a termination structure that is resistant to process disturbance can be obtained by fixing a potential by a contact region.
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。各実施例では、特許請求の範囲において記載した第1導電型をN型、第2導電型をP型としているが、第1導電型をP型、第2導電型をN型としても良い。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples. In each embodiment, the first conductivity type described in the claims is N-type and the second conductivity type is P-type, but the first conductivity type may be P-type and the second conductivity type may be N-type.
まず、図1乃至図4を参照して実施例1を説明する。
図1は、この実施例の素子構造を高耐圧ダイオードとした電力用半導体装置(電極部分は省略する)の平面図、図2は、図1のA−A′線に沿う部分の断面図(電極部分も記載する)、図3は、図1の電力用半導体装置のB−B′線に沿う部分の断面図(電極部分も記載する)、図4は、この実施例の電力用半導体装置(電極部分は省略する)の他の例を示す平面図である。
First, Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a plan view of a power semiconductor device (electrode portion is omitted) in which the element structure of this embodiment is a high voltage diode, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the portion along the line AA ′ in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the portion of the power semiconductor device of FIG. 1 taken along the line B-B '(the electrode portion is also described), and FIG. 4 is a power semiconductor device of this embodiment. It is a top view which shows the other example (an electrode part is abbreviate | omitted).
図1乃至図3に示すように、この実施例の高耐圧ダイオードの基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域1、N型ベース領域1の第1主面の表面領域に形成されたP型ベース領域であるP型アノード(ベース)領域2、N型ベース領域1の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型カソード領域3、P型アノード領域2上に形成されたアノード電極4及びN型カソード領域3上に形成されたカソード電極5から構成されたダイオード部と、このダイオード部を囲むようにN型ベース領域1の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域8、P型リング領域8を囲むようにN型ベース領域1の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域6及び複数のP型リング領域8に電気的に接続され、P型アノード領域2とN型ストッパ領域6とを電気的に接続するP型コンタクト領域12から構成された電界緩和部(高耐圧終端構造)よりなっている。N型ストッパ領域6上にはストッパ電極が形成され、P型リング領域8上には各リング電極が形成されている。P型コンタクト領域12は、N型ベース領域1の第1主面の表面領域に、P型アノード領域2の辺部分からN型ストッパ領域6の辺部分の方向に形成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the basic structure of the high voltage diode of this embodiment is an N-type base region 1 formed on a semiconductor substrate such as silicon, and a surface region of the first main surface of the N-type base region 1. A P-type anode (base) region 2 which is a P-type base region formed on the N-type cathode region 3, an N-type cathode region 3 formed on a surface region of a second main surface opposite to the first main surface of the N-type base region 1, A diode portion composed of an
この実施例の高耐圧ダイオードが前述した従来構造のものと異なる点は、P型リング領域8がP型アノード領域2及びN型ストッパ領域6と電気的に接続されたP型コンタクト領域12と電気的に接続されていることである。
P型コンタクト領域12は、例えば、図3に記載されているように、N型ベース領域1の表面領域において、P型アノード領域2、N型ストッパ領域6及びP型リング領域8を含んで形成されるP型不純物拡散領域から構成される。
P型コンタクト領域12は、例えば、ドーズ量1×1012/cm2 以上で半導体基板のNベース領域1のP型アノード領域が形成された主面にイオン注入及び熱拡散により形成される。P型リング領域8及びN型ストッパ領域6は、いずれも1×1014/cm2 以上でイオン注入及び熱拡散により形成される。P型コンタクト領域12の不純物濃度は、N型ストッパ領域6及びP型リング領域8より低く、半導体基板の表面からの深さは、両者よりも浅く形成されている。
The high breakdown voltage diode of this embodiment is different from that of the conventional structure described above in that the P-type ring region 8 is electrically connected to the P-
For example, as shown in FIG. 3, the P-
The P-
P型コンタクト領域12は、その拡散抵抗により、N型ストッパ領域6に高電圧が印加されると電流が流れるため、P型アノード領域2に近いP型リング領域8から順番に電位が高くなる。つまり、P型リング領域8の電位差を固定することが可能であり、電界分布を均等に分散させることができる。従って、従来の電力用半導体装置と異なり界面準位等の外乱の影響を受けない。
また、拡散抵抗には温度依存性が有り、格子散乱による移動度の低下により、高温になると抵抗が大きくなり、リーク電流が低減する。従って、P型コンタクト領域12は、従来問題となっていた高温リーク電流による熱暴走破壊の問題が解決されるようになる。
In the P-
Further, the diffusion resistance has temperature dependence, and the resistance increases at a high temperature due to the decrease in mobility due to lattice scattering, and the leakage current is reduced. Therefore, the P-
次に、図4を参照して他の素子構造を説明する。この例では、図1の半導体装置に比較して、より電界や電流の集中するコーナー部の電位固定を重視している。図4に示す高耐圧ダイオードの基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域、N型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたP型アノード領域2、N型ベース領域の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型カソード領域、P型アノード領域2上に形成されたアノード電極及びN型カソード領域上に形成されたカソード電極から構成されたダイオード部と、このダイオード部を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域8、P型リング領域8を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域6及び複数のP型リング領域8に電気的に接続され、P型アノード領域2とN型ストッパ領域6とを電気的に接続するP型コンタクト領域12′から構成された電界緩和部(高耐圧終端構造)よりなっている。 Next, another element structure will be described with reference to FIG. In this example, as compared with the semiconductor device shown in FIG. 1, importance is attached to fixing the potential of the corner where electric field and current are concentrated. The basic structure of the high breakdown voltage diode shown in FIG. 4 is an N-type base region formed on a semiconductor substrate such as silicon, a P-type anode region 2 formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region, and an N-type. An N-type cathode region formed on the surface region of the second main surface opposite to the first main surface of the base region, an anode electrode formed on the P-type anode region 2, and a cathode formed on the N-type cathode region And a plurality of concentrically formed P-type ring regions 8 and P-type rings formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the diode unit. The P type anode region 2 and the N type are electrically connected to an N type stopper region 6 and a plurality of P type ring regions 8 formed in the surface region of the first main surface of the N type base region so as to surround the region 8. Stopper area 6 and electricity Electric field relaxation portion which is composed of P-type contact region 12 'to be connected to is made from (a high breakdown voltage terminating structure).
N型ストッパ領域6上にはスとっぱ電極が形成され、P型リング領域8には各リング電極が形成されている。P型コンタクト領域12′は、N型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されている。P型コンタクト領域12′は、N型ベース領域の表面領域において、P型アード領域2、N型ストッパ領域6及びP型リング領域8を含んで形成されるP型不純物拡散領域から構成されている。P型コンタクト領域12′は、P型ベース領域2のコーナー部分からN型ストッパ領域6のコーナー部分の方向に形成されている。
このP型コンタクト領域を用いることによって、図1の半導体装置に比較してより電界や電流の集中するコーナー部の電位固定が安定して行われる。また、コーナー部にP型コンタクト領域が形成されるので図1のP型コンタクト領域より長くなり、その分抵抗を大きくすることができ、リーク電流低減の効果が大きくなる。
A strip electrode is formed on the N-type stopper region 6, and each ring electrode is formed on the P-type ring region 8. P-type contact region 12 'is formed in the surface region of the first main surface of the N-type base region. The P-
By using this P-type contact region, the potential of the corner portion where the electric field and current are more concentrated can be stably fixed as compared with the semiconductor device of FIG. Further, since the P-type contact region is formed in the corner portion, it becomes longer than the P-type contact region of FIG. 1, and the resistance can be increased correspondingly, and the effect of reducing the leakage current is increased.
次に、図5を参照して、実施例2を説明する。
図5は、この実施例の電力用半導体装置の断面図(電極部分は省略する)である。この実施例は、P型リング領域の半導体基板における配置に特徴がある。
図5に示す高耐圧ダイオードの基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域21、N型ベース領域21の第1主面の表面領域に形成されたP型アノード領域22、N型ベース領域21の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型カソード領域、P型アノード領域22上に形成されたアノード電極及びN型カソード領域上に形成されたカソード電極から構成されたダイオード部と、このダイオード部を囲むようにN型ベース領域21の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域28、P型リング領域28を囲むようにN型ベース領域21の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域26及び複数のP型リング領域28に電気的に接続され、P型アノード領域22とN型ストッパ領域26とを電気的に接続するP型コンタクト領域20から構成された電界緩和部(高耐圧終端構造)よりなっている。
Next, Example 2 will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device of this embodiment (electrode portions are omitted). This embodiment is characterized by the arrangement of the P-type ring region on the semiconductor substrate.
The basic structure of the high breakdown voltage diode shown in FIG. 5 is an N-type base region 21 formed on a semiconductor substrate such as silicon, a P-
N型ストッパ領域26上にはスとっぱ電極及びP型リング領域28には各リング電極が形成されている。P型コンタクト領域20は、N型ベース領域21の第1主面の表面領域に形成されている。P型コンタクト領域20は、N型ベース領域21の表面領域において、P型アード領域22、N型ストッパ領域26及びP型リング領域28を含んで形成されるP型不純物拡散領域から構成されている。P型コンタクト領域20は、N型ベース領域21の第1主面の表面領域に、P型アノード領域22の辺部分からN型ストッパ領域26の辺部分の方向に形成されている(図1参照)。勿論、P型コンタクト領域20は、図4に示すように、P型アノード領域22とN型ストッパ領域26のコーナー部分に配置するようにしても良い。P型コンタクト領域20は、例えば、ドーズ量1×1012/cm2 以上で半導体基板のNベース領域21のP型アノード領域22が形成された主面にイオン注入及び熱拡散により形成される。P型リング領域28及びN型ストッパ領域26は、いずれも1×1014/cm2 以上でイオン注入及び熱拡散により形成される。P型コンタクト領域20の不純物濃度は、N型ストッパ領域26及びP型リング領域28より低く、半導体基板の表面からの深さは、両者よりも浅く形成されている。
A strip electrode is formed on the N-type stopper region 26 and each ring electrode is formed on the P-type ring region 28. P-type contact region 20 is formed in the surface region of the first main surface of N-type base region 21. The P-type contact region 20 includes a P-type impurity diffusion region formed including a P-
P型コンタクト領域20は、その拡散抵抗により、N型ストッパ領域26に高電圧が印加されると電流が流れるため、P型アノード領域22に近いP型リング領域28から順番に電位が高くなる。つまり、P型リング領域28の電位差を固定することが可能であり、電界分布を均等に分散させることができる。従って、従来の電力用半導体装置と異なり界面準位等の外乱の影響を受けない。
また、拡散抵抗には温度依存性が有り、格子散乱による移動度の低下により、高温になると抵抗が大きくなり、リーク電流が低減する。従って、P型コンタクト領域20は、従来問題となっていた高温リーク電流による熱暴走破壊の問題が解決されるようになる。
この実施例では、P型リング領域28のNベース領域21の表面領域に形成された配置間隔は、N型ストッパ領域26側に近づくほど、長くなるように構成されている。P型リング領域28の間隔を変えることにより電界分布を最適化することができる。隣り合うP型リング領域28の間隔を外側ほど大きくすることで、従来設計に近い電界分布を実現し、プロセス外乱に強い構造となる。
In the P-type contact region 20, due to the diffusion resistance, a current flows when a high voltage is applied to the N-type stopper region 26, so that the potential sequentially increases from the P-type ring region 28 close to the P-
Further, the diffusion resistance has temperature dependence, and the resistance increases at a high temperature due to the decrease in mobility due to lattice scattering, and the leakage current is reduced. Accordingly, the P-type contact region 20 can solve the problem of thermal runaway destruction due to high-temperature leakage current, which has been a problem in the past.
In this embodiment, the arrangement interval formed in the surface region of the N base region 21 of the P-type ring region 28 is configured to become longer as it approaches the N-type stopper region 26 side. The electric field distribution can be optimized by changing the interval between the P-type ring regions 28. By increasing the distance between adjacent P-type ring regions 28 toward the outside, an electric field distribution close to that of the conventional design is realized, and the structure is strong against process disturbance.
次に、図6を参照して、実施例3を説明する。
図6は、この実施例の高耐圧ダイオードを素子とする電力用半導体装置の断面図である。この実施例は、P型リング領域に形成された電極に特徴がある。図6に示す高耐圧ダイオードの基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域31、N型ベース領域31の第1主面の表面領域に形成されたP型アノード領域32、N型ベース領域31の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型カソード領域33、P型アノード領域32上に形成されたアノード電極34及びN型カソード領域33上に形成されたカソード電極35から構成されたダイオード部と、このダイオード部を囲むようにN型ベース領域31の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域38、P型リング領域38を囲むようにN型ベース領域31の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域36及び複数のP型リング領域38に電気的に接続され、P型アノード領域32とN型ストッパ領域36とを電気的に接続するP型コンタクト領域40から構成された電界緩和部(高耐圧終端構造)よりなっている。
Next, Example 3 will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a power semiconductor device using the high voltage diode of this embodiment as an element. This embodiment is characterized by an electrode formed in the P-type ring region. The basic structure of the high breakdown voltage diode shown in FIG. 6 is that an N-type base region 31 formed on a semiconductor substrate such as silicon, a P-type anode region 32 formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region 31, An N-type cathode region 33 formed on the surface region of the second main surface opposite to the first main surface of the N-type base region 31, an anode electrode 34 formed on the P-type anode region 32, and the N-type cathode region 33. A plurality of concentrically formed and arranged P portions formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region 31 so as to surround the diode portion formed from the cathode electrode 35 formed thereon. It is electrically connected to an N-type stopper region 36 and a plurality of P-type ring regions 38 formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region 31 so as to surround the mold ring region 38 and the P-type ring region 38. Electric field relaxation portion which is composed of P-type contact regions 40 to electrically connect the P-type anode region 32 and the N-type stopper region 36 is made from (a high breakdown voltage terminating structure).
N型ストッパ領域36上には、ストッパ電極37が形成され、P型リング領域38上にはリング電極39もしくはセンス電極30が形成されている。P型コンタクト領域40は、N型ベース領域31の第1主面の表面領域に形成されている。P型コンタクト領域40は、N型ベース領域31の表面領域において、P型アード領域32、N型ストッパ領域36及びP型リング領域38を含んで形成されるP型不純物拡散領域から構成されている。P型コンタクト領域40は、N型ベース領域31の第1主面の表面領域に、P型アノード領域32の辺部分からN型ストッパ領域36の辺部分の方向に形成されている(図1参照)。勿論、P型コンタクト領域40は、図4に示すように、P型アノード領域32とN型ストッパ領域36のコーナー部分に配置するようにしても良い。
A stopper electrode 37 is formed on the N-type stopper region 36, and a ring electrode 39 or a
P型コンタクト領域40は、例えば、ドーズ量1×1012/cm2 以上で半導体基板のNベース領域31のP型アノード領域32が形成された主面にイオン注入及び熱拡散により形成される。P型リング領域38及びN型ストッパ領域36は、いずれもドーズ量1×1014/cm2 以上でイオン注入及び熱拡散により形成される。P型コンタクト領域40の不純物濃度は、N型ストッパ領域36及びP型リング領域38より低く、半導体基板の表面からの深さは、両者よりも浅く形成されている。P型コンタクト領域40は、その拡散抵抗により、N型ストッパ領域36に高電圧が印加されると電流が流れるため、P型アノード領域32に近いP型リング領域38から順番に電位が高くなる。つまり、P型リング領域38の電位差を固定することが可能であり、電界分布を均等に分散させることができる。したがって、従来の電力用半導体装置と異なり界面準位等の外乱の影響を受けることが少ない。 The P-type contact region 40 is formed, for example, by ion implantation and thermal diffusion on the main surface where the P-type anode region 32 of the N base region 31 of the semiconductor substrate is formed with a dose amount of 1 × 10 12 / cm 2 or more. Both the P-type ring region 38 and the N-type stopper region 36 are formed by ion implantation and thermal diffusion with a dose amount of 1 × 10 14 / cm 2 or more. The impurity concentration of the P-type contact region 40 is lower than that of the N-type stopper region 36 and the P-type ring region 38, and the depth from the surface of the semiconductor substrate is shallower than both. The P-type contact region 40 has a potential increasing in order from the P-type ring region 38 close to the P-type anode region 32 because a current flows when a high voltage is applied to the N-type stopper region 36 due to its diffusion resistance. That is, the potential difference in the P-type ring region 38 can be fixed, and the electric field distribution can be evenly distributed. Therefore, unlike a conventional power semiconductor device, it is less affected by disturbances such as interface states.
また、拡散抵抗には温度依存性が有り、格子散乱による移動度の低下により、高温になると抵抗が大きくなり、リーク電流が低減する。従って、P型コンタクト領域40は、従来問題となっていた高温リーク電流による熱暴走破壊の問題が解決されるようになる。
この実施例では、P型リング領域38のNベース領域31の表面領域に形成された配置間隔は、一定であるが、実施例2のように、N型ストッパ領域36側に近づくほど、長くなるように構成してもよい。P型リング領域の間隔を変えることにより電界分布を最適化することができる。隣り合うP型リング領域38の間隔を外側ほど大きくすることで従来設計に近い電界分布を実現し、プロセス外乱に強い構造となる。
Further, the diffusion resistance has temperature dependence, and the resistance increases at a high temperature due to the decrease in mobility due to lattice scattering, and the leakage current is reduced. Therefore, in the P-type contact region 40, the problem of thermal runaway destruction due to high-temperature leakage current, which has been a problem in the past, is solved.
In this embodiment, the arrangement interval formed in the surface region of the N base region 31 of the P type ring region 38 is constant, but becomes longer as it approaches the N type stopper region 36 side as in the second embodiment. You may comprise as follows. The electric field distribution can be optimized by changing the interval between the P-type ring regions. By increasing the interval between adjacent P-type ring regions 38 toward the outside, an electric field distribution close to that of the conventional design is realized, and the structure is strong against process disturbance.
この実施例は、半導体基板内側にあるP型リング領域38の一つにセンス電極30を接続して、過電圧が印加された場合の保護機能に使用できるようにしたことに特徴がある。これは、P型リング領域38の電位が固定されており、半導体基板内側のP型リング領域38がN型ストッパ領域36にかかる高電圧を分圧する働きを利用している。このセンス電極30により、半導体素子への印加電圧を低電圧出力で簡単にモニタすることが可能となる。
図6の半導体装置では半導体基板内側にあり、P型アノード領域に隣接したP型リング領域38にセンス電極30を接続しているが、本発明ではどの位置に配置されたP型リング領域38にも接続することが可能である。しかし、この半導体装置の耐圧が例えば1000V以上であり、半導体基板の内側に近いほど電位が低い(最も内側のP型リング領域で例えば30〜50V)ので、N型ストッパ領域36に遠くにあって、内側近いP型リング領域をセンス電極に用いることは使い易さの点で有利である。
This embodiment is characterized in that the
In the semiconductor device of FIG. 6, the
次に、図7及び図8を参照して実施例4を説明する。
図7は、この実施例の素子構造を高耐圧ダイオードとした電力用半導体装置(電極部分は省略する)の平面図、図8は、図7のA−A′線に沿う部分の断面図(電極部分も記載する)である。以上の実施例ではP型リング領域を用いたが、本発明では、半導体基板上に高抵抗層を用いることができる。この実施例では、高抵抗層として、例えば、ポリシリコンを用いる。
Next,
FIG. 7 is a plan view of a power semiconductor device (electrode portion is omitted) in which the element structure of this embodiment is a high voltage diode, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the portion along the line AA ′ in FIG. The electrode portion is also described). Although the P-type ring region is used in the above embodiments, a high resistance layer can be used on the semiconductor substrate in the present invention. In this embodiment, for example, polysilicon is used as the high resistance layer.
図7及び図8に示すように、この実施例の高耐圧ダイオードの基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域41、N型ベース領域41の第1主面の表面領域に形成されたP型ベース領域であるP型アノード(ベース)領域42、N型ベース領域41の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型カソード領域43、P型アノード領域42上に形成されたアノード電極44及びN型カソード領域43上に形成されたカソード電極45から構成されたダイオード部と、このダイオード部を囲むようにN型ベース領域41の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域48、P型リング領域48を囲むようにN型ベース領域41の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域46及び複数のP型リング領域48に電気的に接続され、P型アノード領域42とN型ストッパ領域46とを電気的に接続するポリシリコンコンタクト層50から構成された電界緩和部(高耐圧終端構造)よりなっている。N型ストッパ領域46上にはストッパ電極47が形成され、P型リング領域48上には各リング電極49が形成されている。
As shown in FIGS. 7 and 8, the basic structure of the high voltage diode of this embodiment is an N-type base region 41 formed on a semiconductor substrate such as silicon, and a surface region of the first main surface of the N-type base region 41. A P-type anode (base)
ポリシリコンコンタクト層50は、半導体基板表面を保護するシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜などの絶縁膜10上に形成され、アノード電極44と内側のリング電極49、リング電極49間、外側のリング電極とストッパ電極47をそれぞれ電気的に接続する。ポリシリコンコンタクト層50は、N型ベース領域41の第1主面上に、P型アノード領域42の辺部分からN型ストッパ領域46の辺部分の方向に形成されている。この実施例の高耐圧ダイオードが前述した従来構造のものと異なる点は、P型リング領域48がP型アノード領域42及びN型ストッパ領域46と電気的に接続されたポリシリコンコンタクト層50と電気的に接続されていることである。P型リング領域8及びN型ストッパ領域6は、いずれも1×1014/cm2 以上でイオン注入及び熱拡散により形成される。
ポリシリコンコンタクト層50は、N型ストッパ領域46に高電圧が印加されると電流が流れるため、P型アノード領域42に近いP型リング領域48から順番に電位が高くなる。つまり、P型リング領域48の電位差を固定することが可能であり、電界分布を均等に分散させることができる。従って、従来の電力用半導体装置と異なり界面準位等の外乱の影響を受けない。
The
Since a current flows through the
次に、図9及び図10を参照して実施例5を説明する。
実施例1乃至実施例4までは高耐圧半導体装置の終端構造につながる半導体素子として、ダイオードを用いているが、本発明では、半導体素子として、IGBT、サイリスタ、MOSFETその他の半導体基板の上下に電流が流れる半導体素子が適用される。この実施例では、これらの半導体素子に図1乃至図3に示された終端構造を適用した高耐圧半導体装置を説明する。勿論、本発明は、図4乃至図8に示す終端構造をこれらの半導体素子に適用することができる。
Next, Embodiment 5 will be described with reference to FIGS.
In the first to fourth embodiments, a diode is used as a semiconductor element connected to a termination structure of a high voltage semiconductor device. However, in the present invention, a current is applied above and below an IGBT, thyristor, MOSFET, or other semiconductor substrate as a semiconductor element. A semiconductor element through which the current flows is applied. In this embodiment, a high voltage semiconductor device in which the termination structure shown in FIGS. 1 to 3 is applied to these semiconductor elements will be described. Of course, the termination structure shown in FIGS. 4 to 8 can be applied to these semiconductor elements in the present invention.
図9(a)は、図1の終端構造をIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)からなる半導体素子に適用した例である。図に示すIGBT素子の基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域(N−ベース)、N型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたP型ベース領域2、P型ベース領域2内に形成されたN型エミッタ領域(N+エミッタ)、N型ベース領域の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたP型コレクタ領域(P+コレクタ)、N型ベース領域とP型コレクタ領域との間に形成されたN型バッファ領域(N+バッファ)、P型ベース領域2とN型エミッタ領域領域の上に形成されたエミッタ電極、P型コレクタ領域上に形成されたコレクタ電極及びN型ベース領域とN型エミッタ領域とP型ベース領域2の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極(ゲート)から構成されたIGBT部と、このIGBT部を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域8、P型リング領域8を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域6及び複数のP型リング領域8に電気的に接続され、P型ベース領域2とN型ストッパ領域6とを電気的に接続するP型コンタクト領域12から構成された電界緩和部(終端構造)よりなっている。
FIG. 9A shows an example in which the termination structure of FIG. 1 is applied to a semiconductor element made of IGBT (insulated gate bipolar transistor). The basic structure of the IGBT element shown in the figure is that an N-type base region (N - base) formed in a semiconductor substrate such as silicon, and a P-type base region 2 formed in the surface region of the first main surface of the N-type base region. N-type emitter region (N + emitter) formed in P-type base region 2, and P-type collector region (P-type) formed in the surface region of the second main surface opposite to the first main surface of N-type base region + Collector), an N-type buffer region (N + buffer) formed between the N-type base region and the P-type collector region, an emitter electrode formed on the P-type base region 2 and the N-type emitter region region, An IGBT portion composed of a collector electrode formed on a P-type collector region, an N-type base region, an N-type emitter region, and a gate electrode (gate) formed on the P-type base region 2 via a gate insulating film And this A plurality of concentrically formed P-type ring regions 8 formed in the surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the GBT portion, and the N-type base region so as to surround the P-type ring region 8 Are electrically connected to the N-type stopper region 6 and the plurality of P-type ring regions 8 formed in the surface region of the first main surface, and electrically connect the P-type base region 2 and the N-type stopper region 6. An electric field relaxation portion (termination structure) composed of the P-
図9(b)は、図1の終端構造をMOSFET(MOSトランジスタ)からなる半導体素子に適用した例である。図に示すMOSFET素子の基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域(N−ベース)、N型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたP型ベース領域2、P型ベース領域2内に形成されたN型ソース領域(N+ソース)、N型ベース領域の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたN型ドレイン領域(N+ドレイン)、P型ベース領域2とN型ソース領域の上に形成されたソース電極、N型ドレイン領域上に形成されたドレイン電極及びN型ベース領域とN型ソース領域とP型ベース領域2の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極(ゲート)から構成されたMOSFET部と、このMOSFET部を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域8、P型リング領域8を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域6及び複数のP型リング領域8に電気的に接続され、P型ベース領域2とN型ストッパ領域6とを電気的に接続するP型コンタクト領域12から構成された電界緩和部(終端構造)よりなっている。
FIG. 9B shows an example in which the termination structure of FIG. 1 is applied to a semiconductor element made of a MOSFET (MOS transistor). The basic structure of the MOSFET element shown in the figure is an N-type base region (N - base) formed in a semiconductor substrate such as silicon, and a P-type base region 2 formed in the surface region of the first main surface of the N-type base region. , An N-type source region (N + source) formed in the P-type base region 2, and an N-type drain region (N) formed in a surface region of the second main surface opposite to the first main surface of the N-type base region + Drain), a source electrode formed on the P-type base region 2 and the N-type source region, a drain electrode formed on the N-type drain region, and an N-type base region, an N-type source region, and a P-type base region 2 And a plurality of MOSFETs formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the MOSFETs. Concentric formation The P-type ring region 8 and the N-type stopper region 6 formed in the surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the P-type ring region 8 are electrically connected to the plurality of P-type ring regions 8. To the P-type base region 2 and the P-
図10は、図1の終端構造をサイリスタからなる半導体素子に適用した例である。図に示すサイリスタ素子の基本構造は、シリコンなどの半導体基板に形成されたN型ベース領域(N−ベース)、N型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたP型ベース領域2、P型ベース領域2内に形成されたN型エミッタ領域(N+エミッタ)、N型ベース領域の第1主面とは対向する第2主面の表面領域に形成されたP型エミッタ領域(P+エミッタ)、N型ベース領域とP型エミッタ領域との間に形成されたN型バッファ領域(N+バッファ)、N型エミッタ領域の上に形成されたカソード電極、P型エミッタ領域上に形成されたアノード電極及びP型ベース領域2上に形成されたゲート電極(ゲート)から構成されたサイリスタ部と、このサイリスタ部を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成された複数の同心状に形成配置されたP型リング領域8、P型リング領域8を囲むようにN型ベース領域の第1主面の表面領域に形成されたN型ストッパ領域6及び複数のP型リング領域8に電気的に接続され、P型ベース領域2とN型ストッパ領域6とを電気的に接続するP型コンタクト領域12から構成された電界緩和部(終端構造)よりなっている。
FIG. 10 shows an example in which the termination structure of FIG. 1 is applied to a semiconductor element made of a thyristor. The basic structure of the thyristor element shown in the figure is an N-type base region (N - base) formed on a semiconductor substrate such as silicon, and a P-type base region 2 formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region. , An N-type emitter region (N + emitter) formed in the P-type base region 2, and a P-type emitter region (N-type emitter region) formed in a surface region of the second main surface opposite to the first main surface of the N-type base region ( P + emitter), an N-type buffer region (N + buffer) formed between the N-type base region and the P-type emitter region, a cathode electrode formed on the N-type emitter region, and on the P-type emitter region A thyristor portion composed of the formed anode electrode and a gate electrode (gate) formed on the P-type base region 2, and a surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the thyristor portion. Multiple P-type ring regions 8 formed and arranged concentrically, an N-type stopper region 6 formed on the surface region of the first main surface of the N-type base region so as to surround the P-type ring region 8, and a plurality of P-type rings The electric field relaxation portion (termination structure) is formed of a P-
以上、実施例では平面形状が正方形の半導体装置を用いているが、本発明では長方形や円形などの半導体装置にも適用することができる。コンタクト層もしくはコンタクト領域は4本配置しているが、本発明においては本数は1本以上何本でも良い。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 As described above, the semiconductor device having a square shape in the embodiment is used, but the present invention can also be applied to a semiconductor device such as a rectangle or a circle. Four contact layers or contact regions are arranged. However, in the present invention, the number of contact layers or contact regions may be one or more. Various other modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1、21、31、41・・・N型ベース領域
2、22、32、42・・・P型ベース領域(P型アノード領域)
3、33、43・・・N型カソード領域
4、34、44・・・アノード電極
5、35、45・・・カソード電極
6、26、36、46・・・N型ストッパ領域
7、37、47・・・ストッパ電極
8、28、40・・・P型リング領域
9、39、49・・・リング電極
10・・・絶縁膜
12、12′、40・・・P型コンタクト領域
30・・・センス電極
50・・・ポリシリコンコンタクト層
1, 2, 31, 41 ... N-
3, 33, 43 ... N-
Claims (5)
前記半導体基板に形成された第1導電型ベース領域と、
前記第1導電型ベース領域の第1主面の表面領域に選択的に形成された第2導電型ベース領域と、
前記第2導電型ベース領域の周囲を所定の距離をおいて囲み、前記第1導電型ベース領域の第1主面の表面領域に形成された第1導電型ストッパ領域と、
前記第2導電型ベース領域と前記第1導電型ストッパ領域との間に有り、前記第1導電型ベース領域の第1主面の表面領域に所定の間隔で形成された複数の第2導電型リング領域とを備え、
前記複数の第2導電型リング領域は、前記第2導電型ベース領域と前記第1導電型ストッパ領域とを電気的に接続する第2導電型コンタクト領域と電気的に接続されていることを特徴とする電力用半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first conductivity type base region formed in the semiconductor substrate;
A second conductivity type base region selectively formed in a surface region of the first main surface of the first conductivity type base region;
A first conductivity type stopper region that surrounds the second conductivity type base region at a predetermined distance and is formed in a surface region of the first main surface of the first conductivity type base region;
A plurality of second conductivity types that are between the second conductivity type base region and the first conductivity type stopper region and are formed at a predetermined interval in a surface region of the first main surface of the first conductivity type base region. With a ring area,
The plurality of second conductivity type ring regions are electrically connected to a second conductivity type contact region that electrically connects the second conductivity type base region and the first conductivity type stopper region. A power semiconductor device.
The said 2nd conductivity type contact area | region is the diffused resistance formed in the surface area | region of the 1st main surface of the said 1st conductivity type base area | region, The Claim 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned. Power semiconductor device.
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