JP2007258742A - High breakdown-voltage semiconductor device - Google Patents

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勝則 浅野
Yoshitaka Sugawara
良孝 菅原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a semiconductor device, having high reliability which has high-breakdown voltage and low ON-voltage. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes p-type layers formed by an epitaxial method and used for electric charge injection; and both a mesa structure used for relieving an electric field when a reverse bias is applied and a JTE formed by ion implantation, wherein a mesa slope and a mesa bottom surface which are in the minimum distance from a corner of a passivation film constituted of an inorganic film are constituted of the p-type layers. An impurity concentration of the p-type layers, formed on a mesa corner and the mesa bottom surface, is set at a prescribed range, and the thickness of the passivation film at least on the mesa corner part is made at least ≥0.5 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は大電流を制御する高耐電圧のパワー半導体装置に関する。   The present invention relates to a high withstand voltage power semiconductor device that controls a large current.

炭化珪素(SiC)などのワイドギャップ半導体材料は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高い等の優れた特性を有しており、高い耐逆電圧特性を有する高耐圧パワー半導体装置に好適な材料として注目されている。しかし、SiCの不純物の拡散係数はSiに比べるとはるかに小さい。従ってSiCを用いて半導体装置を製作するには高度の技術を要する。特に高耐圧のpn接合を有する高耐圧半導体装置の実現は困難であった。   Wide gap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) have excellent characteristics such as about 10 times higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si), and high withstand voltage power with high reverse voltage resistance. It attracts attention as a material suitable for semiconductor devices. However, the diffusion coefficient of SiC impurities is much smaller than that of Si. Therefore, advanced technology is required to manufacture a semiconductor device using SiC. In particular, it has been difficult to realize a high voltage semiconductor device having a high voltage pn junction.

SiCを用いた従来例のワイドギャップ高耐圧半導体装置としては、例えば図9の断面図に示すようなプレーナ構造の高耐圧ダイオードがあり、これの耐圧は約3.4KVである。この高耐圧ダイオードは、1997年のInternational Conference on Silicon Carbide, III-Nitride and Related Materials の予稿集の136から137ページ(非特許文献1)に開示されている。この従来例では、一方の面にカソード電極50を有するn型SiCのドレイン領域1の他方の面にn型ドリフト層2を形成し、n型ドリフト層2の中央部分にp型層3を形成している。p型層3にはアノード電極51が設けられている。p型層3の両側にはターミネーション用のp型層34が形成されている。「ターミネーション」とは高耐圧半導体素子の端部における電界集中を抑制するために、端部近傍を特殊な構造にすることをいう。電流を流すために電荷を注入する、p型層3とn型ドリフト層2の間のpn接合と、電界を緩和するためのターミネーション用のp型層34とn型ドリフト層2との間のpn接合とは、硼素やアルミニウム等のイオン打ち込み技術により形成される。   As a conventional wide gap high breakdown voltage semiconductor device using SiC, for example, there is a high breakdown voltage diode having a planar structure as shown in the cross-sectional view of FIG. 9, which has a breakdown voltage of about 3.4 KV. This high-breakdown-voltage diode is disclosed on pages 136 to 137 (Non-patent Document 1) of a draft of the 1997 International Conference on Silicon Carbide, III-Nitride and Related Materials. In this conventional example, the n-type drift layer 2 is formed on the other surface of the drain region 1 of the n-type SiC having the cathode electrode 50 on one surface, and the p-type layer 3 is formed in the central portion of the n-type drift layer 2. is doing. An anode electrode 51 is provided on the p-type layer 3. Termination p-type layers 34 are formed on both sides of the p-type layer 3. “Termination” refers to a special structure in the vicinity of the end portion in order to suppress electric field concentration at the end portion of the high voltage semiconductor element. Between the pn junction between the p-type layer 3 and the n-type drift layer 2 for injecting electric charge to flow current, and between the termination p-type layer 34 and the n-type drift layer 2 for relaxing the electric field. The pn junction is formed by an ion implantation technique such as boron or aluminum.

他の従来例としては、図10の断面図で示す高耐圧ダイオードがある。この従来例では、電荷を注入するp型層13とn型ドリフト層2の間のpn接合をエピタキシャル成長技術で形成し、電界を緩和するためのターミネーション領域Tをメサエッチングで形成している。耐圧は約4.5kVである。この高耐圧ダイオードは、1995年の学術誌Applied Physics Letter, 67巻の1561から1563ページ(非特許文献2)に開示されている。この高耐圧ダイオードの作り方は、図10の断面図に示すように、n型ドリフト層2の全面に形成した厚さ1.5μmのp型エピタキシャル層13の両端部分を深さ2μmまでメサエッチングで除去する。そしてアノード電極51を有する部分を除いて厚さ0.4μmの二酸化珪素の膜(以下、パッシベーション膜)10で表面保護をしている。   As another conventional example, there is a high voltage diode shown in the cross-sectional view of FIG. In this conventional example, a pn junction between the p-type layer 13 for injecting charges and the n-type drift layer 2 is formed by an epitaxial growth technique, and a termination region T for relaxing an electric field is formed by mesa etching. The breakdown voltage is about 4.5 kV. This high voltage diode is disclosed in the 1995 academic journal Applied Physics Letter, Vol. 67, pages 1561 to 1563 (Non-patent Document 2). As shown in the cross-sectional view of FIG. 10, this high breakdown voltage diode is formed by mesa etching of both end portions of the p-type epitaxial layer 13 having a thickness of 1.5 μm formed on the entire surface of the n-type drift layer 2 to a depth of 2 μm. Remove. The surface is protected by a silicon dioxide film (hereinafter referred to as a passivation film) 10 having a thickness of 0.4 μm except for the portion having the anode electrode 51.

図11は、平成12年電気学会全国大会講演論文集[4]の1600から1601ページ(非特許文献3)に記載された高耐圧ダイオードの断面図である。図においてn型SiCのドレイン領域1の上に形成したn型ドリフト層2の左側の領域にエピタキシャル成長技術でp型層3を形成し、p型層3にアノード電極51を設ける。これによりp型層3とn型ドリフト層2の間に、電荷を注入するためのpn接合が形成される。半導体装置の端部の電界を緩和するためのターミネーション領域Tを形成するため、図の右側の領域を浅くメサエッチングする。メサ底面18近傍に、硼素あるいはアルミニウム等のイオン打ち込みにより、p型層44を形成し、n型ドリフト層2内にpn接合を形成する。ターミネーション領域Tと、p型層3のアノード電極51を除く領域は、約0.4μm厚のパッシベーション膜6で保護している。
1997年のInternational Conference on Silicon Carbide, III-Nitride and Related Materials の予稿集の136から137ページ 1995年の学術誌Applied Physics Letter, 67巻の1561から1563ページ 平成12年電気学会全国大会講演論文集[4]の1600から1601ページ
FIG. 11 is a cross-sectional view of a high voltage diode described in pages 1600 to 1601 (non-patent document 3) of the annual conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan [4]. In the drawing, a p-type layer 3 is formed by an epitaxial growth technique in a region on the left side of an n-type drift layer 2 formed on an n-type SiC drain region 1, and an anode electrode 51 is provided on the p-type layer 3. Thereby, a pn junction for injecting charges is formed between the p-type layer 3 and the n-type drift layer 2. In order to form a termination region T for relaxing the electric field at the end portion of the semiconductor device, the region on the right side of the drawing is shallowly mesa-etched. A p-type layer 44 is formed in the vicinity of the mesa bottom surface 18 by ion implantation of boron, aluminum, or the like, and a pn junction is formed in the n-type drift layer 2. The termination region T and the region other than the anode electrode 51 of the p-type layer 3 are protected by a passivation film 6 having a thickness of about 0.4 μm.
Pages 136 to 137 of the 1997 International Conference on Silicon Carbide, III-Nitride and Related Materials 1995 Academic Journal Applied Physics Letter, Volume 67, pages 1561 to 1563 1600 to 1601 pages of the annual conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan [4]

図9のプレーナ構造の高耐圧ダイオードの場合、p型層3をイオン打ち込みにより形成するためp型層3とその周辺に結晶欠陥が形成される。そのため順バイアス時(アノード51が正の場合)の電荷の注入効率が低く、オン電圧が比較的高い。また逆バイアス時のリーク電流が大きい。従って低損失で高耐圧の半導体装置を実現するのは困難である。   In the case of the high breakdown voltage diode having the planar structure shown in FIG. 9, since the p-type layer 3 is formed by ion implantation, crystal defects are formed in and around the p-type layer 3. Therefore, the charge injection efficiency during forward bias (when the anode 51 is positive) is low, and the on-voltage is relatively high. In addition, the leakage current during reverse bias is large. Therefore, it is difficult to realize a semiconductor device with low loss and high breakdown voltage.

図10のダイオードの場合は、p型層3をエピタキシャル成長法により形成するため結晶欠陥が少なく順バイアス時の電荷の注入効率は比較的高い。逆バイアス時のリーク電流も5×10−3A/cm程度であり比較的少ない。しかし、逆電圧が4.5kVをいくらか超えると破壊してしまい高耐圧の半導体装置とはいえない。 In the case of the diode of FIG. 10, since the p-type layer 3 is formed by the epitaxial growth method, there are few crystal defects and the charge injection efficiency at the time of forward bias is relatively high. The leak current at the time of reverse bias is also about 5 × 10 −3 A / cm 2 and is relatively small. However, if the reverse voltage exceeds 4.5 kV, it will break down and cannot be said to be a high breakdown voltage semiconductor device.

図11のダイオードの場合は、p型層3をエピタキシャル成長法により形成するため結晶欠陥が少なく順バイアス時の電荷の注入効率は比較的高い。また逆バイアス時のリーク電流は1×10−3A/cm程度と小さい。耐圧は5.8kVと高いが、メサコーナー部6Aのパッシベーション膜6に高電界が加わるので故障を生じやすく、長期間高い信頼性を保つことができない。 In the case of the diode of FIG. 11, since the p-type layer 3 is formed by the epitaxial growth method, there are few crystal defects and the charge injection efficiency at the time of forward bias is relatively high. Further, the leakage current at the time of reverse bias is as small as about 1 × 10 −3 A / cm 2 . Although the breakdown voltage is as high as 5.8 kV, a high electric field is applied to the passivation film 6 of the mesa corner portion 6A, so that a failure is likely to occur, and high reliability cannot be maintained for a long time.

本発明は、オン電圧が低く耐逆電圧が高い高信頼性の半導体装置を提供することを目的としている。特にSiCなどのワイドギャップ半導体材料では、臨界電界値が、パッシベーション膜の絶縁破壊電界値に近い。従って、パッシベーション膜が長期間高い電界にさらされるとリーク電流が増大して半導体装置の信頼性が低下する、という問題を解決することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device with low on-voltage and high withstand voltage. In particular, in a wide gap semiconductor material such as SiC, the critical electric field value is close to the dielectric breakdown electric field value of the passivation film. Accordingly, it is an object of the present invention to solve the problem that when a passivation film is exposed to a high electric field for a long period of time, the leakage current increases and the reliability of the semiconductor device decreases.

本発明の高耐電圧半導体装置は、ワイドギャップ半導体材料の基板に形成した第1の導電型の第1の層(ドリフト層)、前記第1の層の上にエピタキシャル成長法で形成した、第2の導電型の第2の層(電荷注入用の電荷注入層)、前記第2の層に隣接するメサ溝のメサ底面を形成する前記第1の層に、前記メサ底面側から形成した、第2の導電型のターミネーション領域、及び前記ターミネーション領域と前記第2の層と前記第1の層との上に形成された表面保護膜を有し、前記第2の層と前記第1の層との接合面は、前記メサ底面よりも、高い位置にあり、前記第2の層の側面を含む前記メサ溝のメサ側面と前記メサ底面とが交わる部分であるメサコーナー部と、前記ターミネーション領域の前記メサコーナー部側の端部と、の間における、前記表面保護膜の前記メサ底面に直交する方向の厚みは、前記接合面と前記メサ底面との間の距離よりも、大きいことを特徴とする。   The high withstand voltage semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type first layer (drift layer) formed on a substrate of a wide gap semiconductor material, and a second layer formed on the first layer by an epitaxial growth method. A second layer of a conductivity type (charge injection layer for charge injection), a first layer forming a mesa bottom surface of a mesa groove adjacent to the second layer, formed from the mesa bottom surface side, And a surface protective film formed on the termination region, the second layer, and the first layer, and the second layer, the first layer, A joining surface of the mesa groove that is higher than the bottom surface of the mesa, a mesa corner portion that is a portion where the mesa side surface of the mesa groove including the side surface of the second layer intersects the bottom surface of the mesa, and the termination region Between the end on the mesa corner side , The direction of thickness perpendicular to the mesa bottom surface of the surface protective film, than the distance between the mesa bottom and the joint surface, being greater.

前記メサコーナー部と、前記ターミネーション領域の前記メサコーナー部側の端部と、の間における、前記表面保護膜の前記メサ底面に直交する方向の厚みは、前記接合面と前記メサ底面との間の距離よりも、大きいことにより、前記メサコーナー部の電界が他の部分に比べてあまり高くならない。その結果長期間使用する場合の信頼性が向上する。   The thickness in the direction perpendicular to the mesa bottom surface of the surface protective film between the mesa corner portion and the end of the termination region on the mesa corner portion side is between the joint surface and the mesa bottom surface. The electric field at the mesa corner is not so high as compared with other parts. As a result, the reliability when used for a long time is improved.

本発明の他の観点の半導体装置は、ワイドギャップ半導体材料の基板に形成した第1の導電型の第1の層(ドリフト層)、前記第1の層の上にエピタキシャル成長法で形成した、第2の導電型の第2の層(電荷注入用の電荷注入層)、前記第2の層に隣接するメサ溝のメサ底面を形成する前記第1の層に、前記メサ底面側から形成した、第2の導電型のターミネーション領域、及び前記ターミネーション領域と前記第2の層と前記第1の層との上に形成した表面保護膜を有し、前記第2の層と前記第1の層との接合面は、前記メサ底面よりも、高い位置にあり、前記ターミネーション領域の前記第2の層側の端部は、前記第2の層の側面を含む前記メサ溝のメサ側面にあって、前記ターミネーション領域は、前記メサ側面と前記メサ底面とが交わる部分であるメサコーナー部を覆っていることを特徴とする。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first conductivity type first layer (drift layer) formed on a substrate of a wide gap semiconductor material, an epitaxial growth method formed on the first layer, A second layer of conductivity type (charge injection layer for charge injection), the first layer forming the mesa bottom surface of the mesa groove adjacent to the second layer, formed from the mesa bottom surface side; A second conductivity type termination region; and a surface protection film formed on the termination region, the second layer, and the first layer, and the second layer, the first layer, The end face of the termination region on the second layer side is on the mesa side surface of the mesa groove including the side surface of the second layer, The termination region has a mesa side surface and a mesa bottom surface. Characterized in that it covers the mesa corner portion is Waru moiety.

前記ターミネーション領域の前記第2の層側の端部は、前記メサ側面にあって、前記ターミネーション領域は、前記メサコーナー部を覆っていることにより、前記メサコーナー部近傍の前記ターミネーション領域と第1の層との接合から前記基板に向かって空乏層が広がる。この空乏層により前記メサコーナー部の前記表面保護膜への電界集中が緩和されるので耐電圧が高くなる。   The end of the termination region on the second layer side is on the mesa side surface, and the termination region covers the mesa corner portion, whereby the termination region in the vicinity of the mesa corner portion and the first region A depletion layer spreads from the junction with this layer toward the substrate. This depletion layer alleviates the electric field concentration on the surface protective film at the mesa corner, so that the withstand voltage is increased.

本発明の他の観点の半導体装置は、一方の面に第1の電極(ドレイン電極)を有するワイドギャップ半導体材料の基板の他方の面に形成した第1の導電型の第1の層(ドリフト層)、前記第1の層の上にエピタキシャル成長法で形成した、第2の導電型の第2の層(ボディ層)、前記第2の層の一部分に形成した第1の導電型の第1の領域(ソース領域)、前記第1の領域及び第2の層を貫通し、第1の層に達するように形成されたトレンチ、前記トレンチの内壁面に絶縁膜を介して形成した第2の電極(ゲート電極)、前記第2の層に隣接するメサ溝のメサ底面を形成する前記第1の層に、前記メサ底面側から形成した、第2の導電型のターミネーション領域、前記第1の領域と第2の層の上に形成した第3の電極(ソース電極)、及び前記ターミネーション領域、前記第1の層及び前記第2の層の側面に形成した表面保護膜を有し、前記第2の層と前記第1の層との接合面は、前記メサ底面よりも、高い位置にあり、前記ターミネーション領域の前記第2の層側の端部は、前記第2の層の側面を含む前記メサ溝のメサ側面にあって、前記ターミネーション領域は、前記メサ側面と前記メサ底面とが交わる部分であるメサコーナー部を覆っていることを特徴とする。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first conductivity type first layer (drift formed on the other surface of a substrate of a wide gap semiconductor material having a first electrode (drain electrode) on one surface. Layer), a second layer of a second conductivity type (body layer) formed on the first layer by an epitaxial growth method, and a first conductivity type of first layer formed on a part of the second layer. A trench formed so as to penetrate the first region and the second layer and reach the first layer, and a second formed on the inner wall surface of the trench via an insulating film An electrode (gate electrode), a second conductivity type termination region formed on the first layer forming the mesa bottom surface of the mesa groove adjacent to the second layer from the mesa bottom surface side, A third electrode (source electrode) formed over the region and the second layer, and the front It has a surface protection film formed on the side surfaces of the termination region, the first layer, and the second layer, and the bonding surface between the second layer and the first layer is higher than the mesa bottom surface. And the end of the termination region on the second layer side is on the mesa side surface of the mesa groove including the side surface of the second layer, and the termination region includes the mesa side surface and the mesa bottom surface. It is characterized by covering the mesa corner, which intersects with

前記ターミネーション領域の前記第2の層側の端部は、前記メサ側面にあって、前記ターミネーション領域は、前記メサコーナー部を覆っていることにより、前記メサコーナー部近傍の電界を緩和することができる。   The end of the termination region on the second layer side is on the mesa side surface, and the termination region covers the mesa corner portion, thereby relaxing the electric field in the vicinity of the mesa corner portion. it can.

本発明の半導体装置では、メサコーナー部近傍のp型層の斜面とターミネーション領域の面とのなす角を鈍角にしている。そしてp型層の不純物濃度を所定の範囲内にし、少なくともメサコーナー部のパッシベーション膜をp型層とn型ドリフト層の接合面とメサ底面間の距離より厚くする。これにより、メサコーナー部のパッシベーション膜への電界集中が緩和され、半導体装置の耐電圧及び信頼性が向上する。さらに、パッシベーション膜を厚くすることにより、この膜のメサコーナー部での電界集中を緩和できるのみならず、パッシベーション膜の表面に付着するNaイオンなどのアルカリイオンによるSiC表面の局部電界集中の影響を緩和することができる。さらに、水分などの影響がパッシベーション膜の表面近傍にとどまり内部のSiCまでおよびにくくなる。   In the semiconductor device of the present invention, the angle formed by the slope of the p-type layer near the mesa corner and the surface of the termination region is an obtuse angle. Then, the impurity concentration of the p-type layer is set within a predetermined range, and at least the passivation film in the mesa corner portion is made thicker than the distance between the junction surface of the p-type layer and the n-type drift layer and the mesa bottom surface. Thereby, the electric field concentration on the passivation film in the mesa corner portion is alleviated, and the withstand voltage and reliability of the semiconductor device are improved. Furthermore, by increasing the thickness of the passivation film, not only can the electric field concentration at the mesa corner of the film be reduced, but also the influence of local electric field concentration on the SiC surface due to alkali ions such as Na ions adhering to the surface of the passivation film. Can be relaxed. Furthermore, the influence of moisture and the like stays in the vicinity of the surface of the passivation film and hardly reaches the internal SiC.

以下に、本発明の好適な実施例を図1から図8を参照して説明する。図1から図8は各実施例の半導体装置の右半分の断面図であり、この右半分の構成と対称な構成を有する左半分は図示を省略している。また各半導体装置は、各図の紙面に垂直な方向に長いストライプ状である。   A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 8 are cross-sectional views of the right half of the semiconductor device of each embodiment, and the left half having a symmetric configuration with the right half configuration is not shown. Each semiconductor device has a long stripe shape in a direction perpendicular to the paper surface of each drawing.

《第1実施例》
図1は本発明の第1実施例の耐圧6.5kVのSiC(炭化珪素)pnダイオードの断面図である。図において、下面にカソード電極50を有する厚さ約350μmの、高不純物濃度のn型SiCのドレイン領域1の上に、厚さ約50μmの低不純物濃度のn型SiCのドリフト層2を形成している。ドリフト層2の左側部分に厚さ約2μmの電荷注入用の低不純物濃度のp型層3をエピタキシャル成長法により形成している。ドリフト層2をメサエッチング法の一種の反応性イオンエッチング法により浅くエッチングして、ターミネーション領域Tを形成する。ターミネーション領域Tの面に硼素あるいはアルミニウム等をイオン打ち込みしてp型ターミネーション領域(ターミネーション部)4を形成している。ターミネーション領域Tの右端には、n型のチャネルストッパー5が形成されている。半導体装置の表面に水分やNaイオンなどのアルカリイオンが付着するのを防止するために、p型ターミネーション領域4の表面を含む全面に二酸化珪素や窒化珪素などの薄膜による表面保護膜のパッシベーション膜16を形成する。パッシベーション膜16の大部分の膜厚は、約0.4μmであるが、p型層3とターミネーション領域4との境界部のメサコーナー部20では膜厚を1から2μmと大幅に厚くしてある。これにより、メサコーナー部20と、メサコーナー部20から十分離れたターミネーション領域T内の位置Aまでの間の領域が、p型層3とドリフト層2の接合面3Aと、メサ底面18との間の距離Lよりも厚いパッシベーション膜16で覆われることになる。電荷注入層(3)の側面とメサ底面18とがなす角であるメサ角θは90から150度である。
<< First Example >>
FIG. 1 is a sectional view of a SiC (silicon carbide) pn diode having a breakdown voltage of 6.5 kV according to the first embodiment of the present invention. In the figure, a low impurity concentration n-type SiC drift layer 2 having a thickness of about 50 μm is formed on a drain region 1 having a thickness of about 350 μm and a high impurity concentration having a cathode electrode 50 on the lower surface. ing. A low impurity concentration p-type layer 3 for charge injection having a thickness of about 2 μm is formed on the left portion of the drift layer 2 by an epitaxial growth method. Drift layer 2 is etched shallowly by a kind of reactive ion etching method of mesa etching method to form termination region T. A p-type termination region (termination portion) 4 is formed by ion implantation of boron or aluminum into the surface of the termination region T. At the right end of the termination region T, an n-type channel stopper 5 is formed. In order to prevent alkali ions such as moisture and Na ions from adhering to the surface of the semiconductor device, the passivation film 16 is a surface protection film made of a thin film such as silicon dioxide or silicon nitride on the entire surface including the surface of the p-type termination region 4. Form. The thickness of most of the passivation film 16 is about 0.4 μm, but the film thickness at the mesa corner portion 20 at the boundary between the p-type layer 3 and the termination region 4 is significantly increased to 1 to 2 μm. . As a result, the region between the mesa corner portion 20 and the position A within the termination region T sufficiently separated from the mesa corner portion 20 is formed between the junction surface 3A of the p-type layer 3 and the drift layer 2 and the mesa bottom surface 18. It is covered with a passivation film 16 thicker than the distance L therebetween. The mesa angle θ, which is an angle formed between the side surface of the charge injection layer (3) and the mesa bottom surface 18, is 90 to 150 degrees.

本実施例のSiCpnダイオードでは、p型層3をエピタキシャル成長法により形成しているため、結晶欠陥が非常に少ない。従って順方向に電圧を印加したとき(以後、順バイアスという)、p型層3からn型ドリフト層2に十分な量のホールが注入され、伝導度変調が生じてオン電圧が低くなる。単位面積当たりの電流(電流密度)が100A/cmの時、オン電圧は4.9Vであった。逆方向に電圧を印加したとき(以後、逆バイアスという)には、p型層3とn型ドリフト層2の接合部3Aから、カソード電極50及びp型層3に設けられたアノード電極51に向かって空乏層が広がる。p型層3の結晶欠陥が少ないので、ほぼ理論値通りの臨界電界が得られる。印加電圧が高くなると、ドリフト層2内に広がる空乏層は、p型ターミネーション領域4の作用により、図の右端の領域へ広がる。この空乏層により高い耐逆電圧が得られる。p型ターミネーション領域4の不純物濃度が高いと、メサコーナー部20から遠いp型ターミネーション領域4の端部4Aに電界が集中する。 In the SiC pn diode of this example, since the p-type layer 3 is formed by the epitaxial growth method, there are very few crystal defects. Therefore, when a voltage is applied in the forward direction (hereinafter referred to as a forward bias), a sufficient amount of holes are injected from the p-type layer 3 to the n-type drift layer 2, conductivity modulation occurs, and the on-voltage decreases. The on-voltage was 4.9 V when the current per unit area (current density) was 100 A / cm 2 . When a voltage is applied in the reverse direction (hereinafter referred to as reverse bias), the junction electrode 3A between the p-type layer 3 and the n-type drift layer 2 is applied to the cathode electrode 50 and the anode electrode 51 provided on the p-type layer 3. The depletion layer spreads toward you. Since there are few crystal defects in the p-type layer 3, a critical electric field almost as the theoretical value can be obtained. When the applied voltage is increased, the depletion layer spreading in the drift layer 2 spreads to the rightmost region of the figure by the action of the p-type termination region 4. This depletion layer provides a high reverse withstand voltage. When the impurity concentration of the p-type termination region 4 is high, the electric field concentrates on the end portion 4A of the p-type termination region 4 that is far from the mesa corner portion 20.

一方、p型ターミネーション領域4の不純物濃度が低いと、メサコーナー部20近傍のp型領域3及びパッシベーション膜16の電界が高くなる。メサ角θを90度以下にすると、メサコーナー部20近傍のp型層3内では空乏層があまり広がらず、メサコーナー部20に電界集中が起こる。一方、メサ角θを150度以上にすると、メサコーナー部20の電界集中は緩和されるが、パッシベーション膜16に電界が集中し、相互作用によりメサコーナー部20近傍のドリフト層2内の電界が高くなる。そこで、p型ターミネーション領域4の不純物濃度を1016から1018atm/cmの範囲とし、メサ角度を90度から150度の範囲にすると、耐圧は6.5kVと高い値が得られた。特に、p型ターミネーション領域4の不純物濃度を約5×1017atm/cm以下にすると、カソード電圧を6kVとした時、p型ターミネーション領域4の全域に空乏層がひろがる。その結果p型ターミネーション領域4の全域で電圧を分担することになり、高耐圧のダイオードが得られる。メサコーナー部20のパッシベーション膜16が図9の従来例のパッシベーション膜6のように薄いと、メサコーナー部20の電界がSiCの臨界電界と同程度の2MV/cmの高電界になる。そのためリーク電流が増大するなどして、長期間使用する場合の信頼性を悪化させる。本実施例ではメサコーナー部20のパッシベーション膜16をPSG(Phospho-Silicate Grass)などを用いて1ないし2μmと厚くする。これによりメサコーナー部20の電界を1MV/cm以下とすることができ、長期間使用する場合の信頼性が向上する。パッシベーション膜16は、2種類以上の材料で形成してもよい。 On the other hand, when the impurity concentration of the p-type termination region 4 is low, the electric field of the p-type region 3 and the passivation film 16 in the vicinity of the mesa corner portion 20 becomes high. When the mesa angle θ is 90 degrees or less, the depletion layer does not spread so much in the p-type layer 3 in the vicinity of the mesa corner portion 20, and electric field concentration occurs in the mesa corner portion 20. On the other hand, when the mesa angle θ is 150 degrees or more, the electric field concentration in the mesa corner portion 20 is relaxed, but the electric field is concentrated on the passivation film 16, and the electric field in the drift layer 2 near the mesa corner portion 20 is caused by the interaction. Get higher. Therefore, when the impurity concentration of the p-type termination region 4 is in the range of 10 16 to 10 18 atm / cm 3 and the mesa angle is in the range of 90 to 150 degrees, the breakdown voltage is as high as 6.5 kV. In particular, when the impurity concentration of the p-type termination region 4 is about 5 × 10 17 atm / cm 3 or less, a depletion layer spreads over the entire p-type termination region 4 when the cathode voltage is 6 kV. As a result, the voltage is shared across the entire p-type termination region 4, and a high breakdown voltage diode is obtained. If the passivation film 16 in the mesa corner portion 20 is as thin as the conventional passivation film 6 in FIG. 9, the electric field in the mesa corner portion 20 becomes a high electric field of 2 MV / cm, which is similar to the critical electric field of SiC. As a result, the leakage current increases and the reliability when used for a long time is deteriorated. In this embodiment, the passivation film 16 in the mesa corner portion 20 is thickened to 1 to 2 μm using PSG (Phospho-Silicate Grass) or the like. Thereby, the electric field of the mesa corner portion 20 can be set to 1 MV / cm or less, and the reliability when used for a long time is improved. The passivation film 16 may be formed of two or more kinds of materials.

《第2実施例》
図2は本発明の第2実施例の耐圧6.5kVのSiCpnダイオードの断面図である。本実施例のダイオードでは、図1に示す第1実施例のダイオードに比べ、ターミネーション領域T全域のパッシベーション膜26を、接合面3Aとメサ底面18との間の距離Lよりも大幅に厚くしている。その厚さは、0.5μmから3μmが望ましいが3μm以上でもよい。その他の構成は第1実施例のものと実質的に同じである。パッシベーション膜26を厚くすることにより、メサコーナー部20での電界集中を緩和でき高耐圧化ができる。またパッシベーション膜26の表面に付着するNaイオンなどのアルカリイオンにより生じるドリフト領域2やp型ターミネーション領域4の表面の局部電界集中を緩和することができる。さらに、水分等がパッシベーション膜26の表面に付着しても内部に浸入することはないので、その影響が内部にまでおよぶのを防止できる。これにより第2実施例の高耐電圧半導体装置は長期間使用する場合の信頼性が更に向上する。
<< Second Embodiment >>
FIG. 2 is a sectional view of a SiCpn diode having a breakdown voltage of 6.5 kV according to the second embodiment of the present invention. In the diode of this embodiment, the passivation film 26 in the entire termination region T is made thicker than the distance L between the bonding surface 3A and the mesa bottom surface 18 as compared with the diode of the first embodiment shown in FIG. Yes. The thickness is preferably 0.5 μm to 3 μm, but may be 3 μm or more. Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment. By increasing the thickness of the passivation film 26, the electric field concentration at the mesa corner portion 20 can be alleviated and the breakdown voltage can be increased. Further, local electric field concentration on the surfaces of the drift region 2 and the p-type termination region 4 caused by alkali ions such as Na ions attached to the surface of the passivation film 26 can be reduced. Further, even if moisture or the like adheres to the surface of the passivation film 26, the moisture does not enter the inside, so that the influence can be prevented from reaching the inside. As a result, the high withstand voltage semiconductor device of the second embodiment is further improved in reliability when used for a long time.

《第3実施例》
図3は本発明の第3実施例の耐圧6.9kVのSiCpnダイオードの断面図である。本実施例のダイオードでは、p型ターミネーション領域14をメサコーナー部20まで延長している。高耐圧半導体の従来技術では、順方向の特性をよくするため、p型ターミネーション領域14の左端をp型層3から離す必要があると考えられていた。本実施例では、p型ターミネーション領域14を形成するためのイオン打込みを、メサ斜面領域のメサコーナー部20の近傍にまで行って、p型ターミネーション領域14の左端部がp型層3とつながっていても良いことが実験によって確認された。実験では、この構成のダイオードを試作し、前記p型ターミネーション領域14の左端とp型層3がつながっている第1の場合とつながっていない第2の場合について、ダイオードの順方向特性の変化を調べた。その結果、第1の場合と第2の場合で順方向特性の差はなかった。p型ターミネーション領域14の左端部がp型層3につながっていても悪影響がないことが解った。
<< Third embodiment >>
FIG. 3 is a sectional view of a SiCpn diode having a breakdown voltage of 6.9 kV according to the third embodiment of the present invention. In the diode of this embodiment, the p-type termination region 14 extends to the mesa corner portion 20. In the conventional high voltage semiconductor technology, it has been considered that the left end of the p-type termination region 14 needs to be separated from the p-type layer 3 in order to improve the forward characteristics. In this embodiment, ion implantation for forming the p-type termination region 14 is performed to the vicinity of the mesa corner portion 20 in the mesa slope region, and the left end portion of the p-type termination region 14 is connected to the p-type layer 3. It was confirmed by experiment that it was acceptable. In the experiment, a diode having this configuration was prototyped, and the forward characteristics of the diode were changed in the first case where the left end of the p-type termination region 14 and the p-type layer 3 were connected and in the second case where the p-type layer 3 was not connected. Examined. As a result, there was no difference in forward characteristics between the first case and the second case. It has been found that there is no adverse effect even if the left end of the p-type termination region 14 is connected to the p-type layer 3.

さらに、p型ターミネーション領域14を含むターミネーション領域Tには全面に厚さ約0.4μmのパッシベーション膜6を形成している。その他の構成は第1実施例のものと実質的に同じである。この構成にすることにより、前記第1実施例において説明した空乏層に加えて、メサコーナー部20近傍のp型ターミネーション領域14とn型ドリフト層2との接合部からもカソード電極50に向かって空乏層が広がる。この空乏層によりメサコーナー部20のパッシベーション膜6への電界集中が緩和され耐電圧が高くなる。本実施例のダイオードに3KVの逆電圧を印加したとき、メサコーナー部20のパッシベーション膜6の電界は0.19MV/cmであった。従来例のダイオードでは約1.3MV/cmであるので、本実施例のものは従来例のものの15%程度に低下する。その結果本実施例の高耐圧半導体装置では高い耐電圧が得られるとともに更なる高信頼化を実現することができる。   Further, a passivation film 6 having a thickness of about 0.4 μm is formed on the entire surface of the termination region T including the p-type termination region 14. Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment. With this configuration, in addition to the depletion layer described in the first embodiment, the junction between the p-type termination region 14 and the n-type drift layer 2 in the vicinity of the mesa corner portion 20 is also directed toward the cathode electrode 50. The depletion layer spreads. This depletion layer relaxes the electric field concentration on the passivation film 6 in the mesa corner portion 20 and increases the withstand voltage. When a reverse voltage of 3 KV was applied to the diode of this example, the electric field of the passivation film 6 in the mesa corner portion 20 was 0.19 MV / cm. Since the diode of the conventional example is about 1.3 MV / cm, the value of this example is reduced to about 15% of that of the conventional example. As a result, the high withstand voltage semiconductor device of this embodiment can achieve a high withstand voltage and can achieve higher reliability.

《第4実施例》
図4は本発明の第4実施例の耐圧6.9kVのSiCpnダイオードの断面図である。本実施例のダイオードでは、図3に示す第3実施例のダイオードに比べ、ターミネーション領域Tを含む全域のパッシベーション膜26を接合面3Aとメサ底面18との間の距離Lよりもはるかに厚くしている。その厚さは、2μmから3μmである。3μm以上でもよい。その他の構成は実施例3のものと実質的に同じである。パッシベーション膜26を厚くすることにより、メサコーナー部20の電界集中を緩和できる。さらにパッシベーション膜26の表面に付着するNaイオンなどのアルカリイオンがSiC表面の局部電界集中に与える影響が緩和される。さらに、パッシベーション膜26上に付着した水分などの影響がパッシベーション膜26の表面近傍にとどまり、内部にまでおよばない。
<< 4th Example >>
FIG. 4 is a sectional view of a SiCpn diode having a breakdown voltage of 6.9 kV according to the fourth embodiment of the present invention. In the diode of this embodiment, the entire passivation film 26 including the termination region T is made much thicker than the distance L between the bonding surface 3A and the mesa bottom surface 18 as compared with the diode of the third embodiment shown in FIG. ing. Its thickness is 2 μm to 3 μm. It may be 3 μm or more. Other configurations are substantially the same as those of the third embodiment. By thickening the passivation film 26, the electric field concentration in the mesa corner portion 20 can be reduced. Furthermore, the influence of alkali ions such as Na ions attached to the surface of the passivation film 26 on local electric field concentration on the SiC surface is alleviated. Furthermore, the influence of moisture or the like attached on the passivation film 26 remains in the vicinity of the surface of the passivation film 26 and does not reach the inside.

《第5実施例》
図5は、本発明の第5実施例の耐圧7.5kVのSiCpnダイオードの断面図である。本実施例のダイオードは図3に示す第3実施例のダイオードのp型ターミネーション領域14を2つの領域14A及び14Bに分けたものである。その他の構成は第3実施例のものと同じである。メサコーナー部20に近い領域14Aの不純物濃度は、遠い領域14Bの不純物濃度より高くなされている。カソード電極50に正の電圧を印加したとき、まず領域14A内に空乏層が広がりこの空乏層により逆電圧に耐える。カソード電極50の正の電圧をさらに上げると、p型ターミネーション領域14の不純物濃度が約5×1017atm/cm以下の場合は、p型ターミネーション領域14の全ての領域14A、14Bに空乏層が広がり、領域14A、14Bで電圧を分担する。これにより、p型ターミネーション領域14の端部14Cに電界が集中するのを防ぐことができ、ダイオードの高耐圧化が図れる。また、p型ターミネーション領域の不純物濃度が約5×1017atm/cmよりも大きい場合、カソード電極50の正の電圧をさらに上げると、領域14Bには空乏層が広がるが、領域14Aの上層部には空乏層が広がらず、電圧は領域14Bと領域14Aの下層部により分担される。このため、メサコーナー部20には大きな電圧がかからず、メサコーナー部20のパッシベーション膜6の電界が緩和される。これにより信頼性の高いダイオードが得られる。
<< 5th Example >>
FIG. 5 is a sectional view of a SiC pn diode having a breakdown voltage of 7.5 kV according to a fifth embodiment of the present invention. The diode of this embodiment is obtained by dividing the p-type termination region 14 of the diode of the third embodiment shown in FIG. 3 into two regions 14A and 14B. Other configurations are the same as those of the third embodiment. The impurity concentration in the region 14A near the mesa corner portion 20 is higher than the impurity concentration in the far region 14B. When a positive voltage is applied to the cathode electrode 50, a depletion layer first spreads in the region 14A and withstands a reverse voltage by this depletion layer. When the positive voltage of the cathode electrode 50 is further increased, when the impurity concentration of the p-type termination region 14 is about 5 × 10 17 atm / cm 3 or less, the depletion layers are formed in all the regions 14A and 14B of the p-type termination region 14. Spread and the voltage is shared by the regions 14A and 14B. Thereby, it is possible to prevent the electric field from concentrating on the end portion 14C of the p-type termination region 14 and to increase the breakdown voltage of the diode. Further, when the impurity concentration of the p-type termination region is higher than about 5 × 10 17 atm / cm 3 , when the positive voltage of the cathode electrode 50 is further increased, a depletion layer spreads in the region 14B, but the upper layer of the region 14A The depletion layer does not spread in the part, and the voltage is shared by the lower part of the region 14B and the region 14A. For this reason, a large voltage is not applied to the mesa corner portion 20, and the electric field of the passivation film 6 in the mesa corner portion 20 is relaxed. Thereby, a highly reliable diode can be obtained.

《第6実施例》
図6は、本発明の第6実施例の耐圧7.5kVのSiCpnダイオードの断面図である。本実施例のダイオードは図3に示す第3実施例のダイオードのp型ターミネーション領域14を複数の領域、例えば4つの領域14D、14E、14F、及び14Gに分けたものである。各領域14D〜14Gは互いに分離されており、各領域14D〜14Gをほぼ同じ大きさにしてもよいが、メサコーナー部20に近い領域14Dを他の領域14E〜14Gより大きくするのが望ましい。各領域14D〜14Gの不純物濃度はほぼ同じである。各領域14D〜14Gの不純物濃度を互いに異なる濃度にしてもよい。その他の構成は第3実施例のものと同じである。本実施例のダイオードのカソード電極50に正の電圧を印加すると、空乏層がp型ターミネーション領域14の領域14Dから領域14Gに向かって広がりこの空乏層により逆電圧に耐える。実験によると、p型領域14D〜14Gの数を多くするほどダイオードの耐圧は上昇した。複数のp型領域14D〜14G及びそれらの間のドリフト層2でも電圧を分担するので、メサコーナー部20のパッシベーション膜6の電界が緩和され信頼性の高いダイオードが実現できる。
<< Sixth embodiment >>
FIG. 6 is a sectional view of a SiC pn diode having a breakdown voltage of 7.5 kV according to the sixth embodiment of the present invention. In the diode of this embodiment, the p-type termination region 14 of the diode of the third embodiment shown in FIG. 3 is divided into a plurality of regions, for example, four regions 14D, 14E, 14F, and 14G. The regions 14D to 14G are separated from each other, and the regions 14D to 14G may be substantially the same size. However, it is desirable that the region 14D near the mesa corner portion 20 is larger than the other regions 14E to 14G. The impurity concentrations in the regions 14D to 14G are substantially the same. The impurity concentrations of the regions 14D to 14G may be different from each other. Other configurations are the same as those of the third embodiment. When a positive voltage is applied to the cathode electrode 50 of the diode of this embodiment, the depletion layer spreads from the region 14D of the p-type termination region 14 toward the region 14G, and the depletion layer withstands the reverse voltage. According to experiments, the breakdown voltage of the diode increased as the number of p-type regions 14D to 14G was increased. Since the plurality of p-type regions 14D to 14G and the drift layer 2 between them also share the voltage, the electric field of the passivation film 6 in the mesa corner portion 20 is relaxed, and a highly reliable diode can be realized.

《第7実施例》
図7は、本発明の第7実施例の耐圧2500V級のnチャネルSiCMOSFETの断面図である。図において、下面にドレイン電極52を有する高不純物濃度のn型ドレイン領域11の厚さは約200μm、ドレイン領域11の上に形成したn型ドリフト層2の厚さは約20μmである。n型ドリフト層2の上に部分的に形成したp型ボディ層33の厚さは約4μm、p型ボディ層33の一部に形成したn型ソース層7の厚さは約0.5μmである。p型ボディ層33のほぼ中央にトレンチ(溝)60が形成されている。トレンチ60の深さは約6μm、幅は約3μmである。トレンチ60内のゲート絶縁物層8の厚さはトレンチ60の底部で約1μm、側部で約0.1μmである。本実施例では、トレンチ60及びゲート電極54は図の紙面に垂直な方向にのびるストライプ状であるが、その形状は例えば円形や四角形等であってもかまわない。
<< Seventh embodiment >>
FIG. 7 is a sectional view of an n-channel SiC MOSFET having a breakdown voltage of 2500 V according to the seventh embodiment of the present invention. In the figure, the thickness of the high impurity concentration n-type drain region 11 having the drain electrode 52 on the lower surface is about 200 μm, and the thickness of the n-type drift layer 2 formed on the drain region 11 is about 20 μm. The p-type body layer 33 partially formed on the n-type drift layer 2 has a thickness of about 4 μm, and the n-type source layer 7 formed on a part of the p-type body layer 33 has a thickness of about 0.5 μm. is there. A trench (groove) 60 is formed substantially at the center of the p-type body layer 33. The depth of the trench 60 is about 6 μm and the width is about 3 μm. The thickness of the gate insulator layer 8 in the trench 60 is about 1 μm at the bottom of the trench 60 and about 0.1 μm at the side. In this embodiment, the trench 60 and the gate electrode 54 have a stripe shape extending in a direction perpendicular to the drawing sheet, but the shape may be, for example, a circle or a rectangle.

本実施例のMOSFETの製作方法は、次のとおりである。図7において、ドレイン領域11として機能する1018から1020atm/cmのn型SiC基板を用意し、その上面に1015から1016atm/cmのSiCn型ドリフト層2をエピタキシャル成長により形成する。n型ドリフト層2の上に1016atm/cm程度のSiCp型ボディ層33を気相成長法等により形成する。図の左側部分のみp型ボディ層33を残して他の部分のp型ボディ層をメサエッチングで除去し、ターミネーション領域Tとする。ターミネーション領域Tにイオン打ち込みにより不純物濃度が1016から1018atm/cmのp型ターミネーション領域14を形成する。残ったp型ボディ層33の中央領域に1018atm/cm程度のn型ソース領域7を窒素、りん等のイオン打ち込みにより形成する。次に、異方性エッチングにより、p型ボディ層33を貫通し底部がn型ドリフト層2に達するトレンチ60を形成する。トレンチ60の内壁にSiOのゲート絶縁膜8を形成した後、高濃度のりんを含んだポリシリコンを堆積してトレンチ60を埋める。トレンチ60の内壁に付着したポリシリコン膜を残し、他のポリシリコンを除去してポリシリコン膜のゲート電極54を形成する。アルミニウム、ニッケル等で、n型領域7とp型ボディ層33の表面にソース電極53を形成し、ドレイン領域11にドレイン電極52を形成する。最後にターミネーション領域Tに厚さ0.5μm以上のパッシベーション膜26を形成して完成する。 The manufacturing method of the MOSFET of this example is as follows. In FIG. 7, an n-type SiC substrate of 10 18 to 10 20 atm / cm 3 that functions as the drain region 11 is prepared, and an SiCn-type drift layer 2 of 10 15 to 10 16 atm / cm 3 is formed on the upper surface thereof by epitaxial growth. To do. An SiCp type body layer 33 of about 10 16 atm / cm 3 is formed on the n type drift layer 2 by vapor phase epitaxy or the like. The p-type body layer 33 is left only in the left part of the figure, and the other p-type body layer is removed by mesa etching to form a termination region T. A p-type termination region 14 having an impurity concentration of 10 16 to 10 18 atm / cm 3 is formed by ion implantation in the termination region T. In the central region of the remaining p-type body layer 33, an n-type source region 7 of about 10 18 atm / cm 3 is formed by ion implantation of nitrogen, phosphorus or the like. Next, a trench 60 penetrating the p-type body layer 33 and having the bottom reaching the n-type drift layer 2 is formed by anisotropic etching. After the SiO 2 gate insulating film 8 is formed on the inner wall of the trench 60, polysilicon containing high-concentration phosphorus is deposited to fill the trench 60. The polysilicon film attached to the inner wall of the trench 60 is left, and other polysilicon is removed to form a gate electrode 54 of the polysilicon film. A source electrode 53 is formed on the surface of the n-type region 7 and the p-type body layer 33 with aluminum, nickel, or the like, and a drain electrode 52 is formed in the drain region 11. Finally, a passivation film 26 having a thickness of 0.5 μm or more is formed in the termination region T to complete.

図7の構成では、p型ターミネーション領域14の左端部がメサコーナー部20を覆っているが、必ずしも覆っていなくても良い。パッシベーション膜26の厚さを0.5μm以上と、p型ボディ層33とn型ドリフト層2の接合面33Aとメサ底面18との間の距離Lより厚くしたため、パッシベーション膜26のメサコーナー部20近傍での電界を緩和できる。さらに、パッシベーション膜26の表面に付着しSiC基板面に局部電界集中を生じさせるNaイオンなどのアルカリイオンによる影響を緩和することができる。また、水分の付着などによる影響がパッシベーション膜26の表面近傍にとどまり内部にまで及ばない。p型ボディー層33をエピタキシャル成長法により形成するため、結晶欠陥は非常に少ない。その結果オン時にp型ボディ層33とゲート絶縁膜8との界面に形成されるチャネル領域の移動度も83cm/Vsと高い。 In the configuration of FIG. 7, the left end portion of the p-type termination region 14 covers the mesa corner portion 20, but it does not necessarily have to be covered. Since the thickness of the passivation film 26 is 0.5 μm or more, and is thicker than the distance L between the junction surface 33A of the p-type body layer 33 and the n-type drift layer 2 and the mesa bottom surface 18, the mesa corner portion 20 of the passivation film 26 is obtained. The electric field in the vicinity can be relaxed. Furthermore, the influence of alkali ions such as Na ions which adhere to the surface of the passivation film 26 and cause local electric field concentration on the SiC substrate surface can be mitigated. Further, the influence of moisture adhesion etc. stays in the vicinity of the surface of the passivation film 26 and does not reach the inside. Since the p-type body layer 33 is formed by an epitaxial growth method, there are very few crystal defects. As a result, the mobility of the channel region formed at the interface between the p-type body layer 33 and the gate insulating film 8 when turned on is as high as 83 cm 2 / Vs.

《第8実施例》
図8は、本発明の第8実施例の耐圧8500V級SiCIGBTの断面図である。本実施例のIGBTはSiCp型基板のコレクタ領域12の一方の面にコレクタ電極62を有する。コレクタ領域12の他方の面にドリフト層2が形成されている。ドリフト層2の厚さを約70μmとし、その不純物濃度を約5×1014atm/cmとしている。p型ボディ層33は第5実施例のMOSFETと同様にエピタキシャル成長により形成するので結晶欠陥は非常に少ない。p型ボディー層33の一部に、エミッタ領域57が形成され、エミッタ領域57にエミッタ電極63が設けられている。この構成によりオン時にp型ボディ層33とゲート絶縁膜8との界面に形成されるチャネル領域の移動度が92cm/Vsと高い値を有する。オン時にコレクタ領域12からホールがドリフト層2に注入されるため、伝導度変調が生じオン電圧を低くすることができる。電流密度が100A/cmのときオン電圧は4.3Vである。
<< Eighth embodiment >>
FIG. 8 is a sectional view of a breakdown voltage 8500 V class SiC IGBT according to an eighth embodiment of the present invention. The IGBT of this embodiment has a collector electrode 62 on one surface of the collector region 12 of the SiCp type substrate. Drift layer 2 is formed on the other surface of collector region 12. The thickness of the drift layer 2 is about 70 μm, and the impurity concentration is about 5 × 10 14 atm / cm 3 . Since the p-type body layer 33 is formed by epitaxial growth like the MOSFET of the fifth embodiment, there are very few crystal defects. An emitter region 57 is formed in part of the p-type body layer 33, and an emitter electrode 63 is provided in the emitter region 57. With this configuration, the mobility of the channel region formed at the interface between the p-type body layer 33 and the gate insulating film 8 when turned on has a high value of 92 cm 2 / Vs. Since holes are injected from the collector region 12 into the drift layer 2 at the time of ON, conductivity modulation occurs and the ON voltage can be lowered. When the current density is 100 A / cm 2 , the on-voltage is 4.3V.

本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、さらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, but covers more application ranges or derived structures.

前記各実施例では、SiCを用いた半導体装置のみを例に挙げたが、本発明は、ダイヤモンド、ガリウムナイトライドなどの他のワイドギャップ半導体材料を用いた半導体装置に有効に適用できる。   In each of the above embodiments, only a semiconductor device using SiC has been described as an example, but the present invention can be effectively applied to a semiconductor device using other wide gap semiconductor materials such as diamond and gallium nitride.

前記第1ないし第8実施例では、ドリフト層2がn型の半導体装置を例に挙げて述べた。ドリフト層2がp型の半導体装置の場合には、他の要素のn型領域をp型領域に、p型領域をn型領域に置き変えることにより、本発明の構成を適用できる。さらに、本発明は、メサコーナー部20を挟む斜面及びドリフト層にp型領域(あるいはn型領域)を有する半導体装置すべてに適用可能である。さらに、パッシベーション膜を2種類以上の材料の膜で形成する場合でも、本発明の構成を適用できる。   In the first to eighth embodiments, the drift layer 2 is described as an example of an n-type semiconductor device. When the drift layer 2 is a p-type semiconductor device, the configuration of the present invention can be applied by replacing the n-type region of another element with a p-type region and the p-type region with an n-type region. Furthermore, the present invention can be applied to all semiconductor devices having a p-type region (or n-type region) in the slope and drift layer sandwiching the mesa corner portion 20. Furthermore, the structure of the present invention can be applied even when the passivation film is formed of two or more types of materials.

本発明の第1実施例のpnダイオードの断面図Sectional drawing of pn diode of 1st Example of this invention 本発明の第2実施例のpnダイオードの断面図Sectional drawing of the pn diode of 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例のpnダイオードの断面図Sectional drawing of the pn diode of 3rd Example of this invention. 本発明の第4実施例のpnダイオードの断面図Sectional drawing of the pn diode of 4th Example of this invention. 本発明の第5実施例のpnダイオードの断面図Sectional drawing of the pn diode of 5th Example of this invention. 本発明の第6実施例のpnダイオードの断面図Sectional drawing of the pn diode of 6th Example of this invention. 本発明の第7実施例のMOSFETの断面図Sectional drawing of MOSFET of 7th Example of this invention 本発明の第8実施例のIGBTの断面図Sectional drawing of IGBT of 8th Example of this invention. 従来の例のpnダイオードの断面図Sectional view of a conventional pn diode 従来の他の例のpnダイオードの断面図Sectional view of another conventional pn diode 従来の更に他の例のpnダイオードの断面図Sectional view of another conventional pn diode

符号の説明Explanation of symbols

1 カソード領域
2 ドリフト層
3 p型層
4、14 p型ターミネーション領域
5 チャネルストッパー
6、16、26 パッシベーション膜
7 ソース領域
8 ゲート絶縁膜
11 ドレイン領域
20 メサコーナー部
26 パッシベーション膜
33 p型ボディー層
50 カソード電極
51 アノード電極
52 ドレイン電極
53 ソース電極
54 ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode region 2 Drift layer 3 P-type layer 4, 14 p-type termination region 5 Channel stopper 6, 16, 26 Passivation film 7 Source region 8 Gate insulating film 11 Drain region 20 Mesa corner part 26 Passivation film 33 P-type body layer 50 Cathode electrode 51 Anode electrode 52 Drain electrode 53 Source electrode 54 Gate electrode

Claims (8)

ワイドギャップ半導体材料の基板に形成した第1の導電型の第1の層、
前記第1の層の上にエピタキシャル成長法で形成した、第2の導電型の第2の層、
前記第2の層に隣接するメサ溝のメサ底面を形成する前記第1の層に、前記メサ底面側から形成した、第2の導電型のターミネーション領域、及び
前記ターミネーション領域と前記第2の層と前記第1の層との上に形成された表面保護膜
を有し、
前記第2の層と前記第1の層との接合面は、前記メサ底面よりも、高い位置にあり、
前記第2の層の側面を含む前記メサ溝のメサ側面と前記メサ底面とが交わる部分であるメサコーナー部と、前記ターミネーション領域の前記メサコーナー部側の端部と、の間における、前記表面保護膜の前記メサ底面に直交する方向の厚みは、前記接合面と前記メサ底面との間の距離よりも、大きいことを特徴とする高耐電圧半導体装置。
A first layer of a first conductivity type formed on a substrate of wide gap semiconductor material;
A second layer of a second conductivity type formed on the first layer by an epitaxial growth method;
A second conductivity type termination region formed on the first layer forming a mesa bottom surface of a mesa groove adjacent to the second layer from the mesa bottom surface side; and the termination region and the second layer And a surface protective film formed on the first layer,
The bonding surface between the second layer and the first layer is higher than the mesa bottom surface,
The surface between a mesa corner portion that is a portion where a mesa side surface of the mesa groove including a side surface of the second layer intersects with a mesa bottom surface, and an end portion on the mesa corner portion side of the termination region. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the protective film in a direction perpendicular to the mesa bottom surface is larger than a distance between the bonding surface and the mesa bottom surface.
前記第2の導電型のターミネーション領域の不純物濃度が1016から1018atm/cmの範囲にあることを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。 2. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the termination region of the second conductivity type is in a range of 10 16 to 10 18 atm / cm 3 . 前記第2の層の側面と前記メサ底面がなす角が90度から150度の範囲であることを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。   2. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein an angle formed between a side surface of the second layer and a bottom surface of the mesa is in a range of 90 degrees to 150 degrees. 前記メサコーナー部における前記表面保護膜の前記メサ底面に直交する方向の厚みは、1μm以上であることを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。   2. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the surface protective film in the mesa corner portion in a direction perpendicular to the mesa bottom surface is 1 μm or more. 前記表面保護膜の厚さが0.5μm以上であることを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。   2. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the surface protective film is 0.5 [mu] m or more. 前記第2の導電型のターミネーション領域の不純物濃度を、前記メサコーナー部に近い部分で高くし、前記メサコーナー部から遠い部分で低くしたことを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。   2. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the termination region of the second conductivity type is increased in a portion close to the mesa corner portion and decreased in a portion far from the mesa corner portion. . 前記第2導電型のターミネーション領域は、複数の分割領域を有し、前記複数の分割領域は、不純物濃度がほぼ等しいことを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。   2. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein the termination region of the second conductivity type has a plurality of divided regions, and the plurality of divided regions have substantially the same impurity concentration. 前記第2導電型のターミネーション領域は、複数の分割領域を有し、前記複数の分割領域は、不純物濃度が互いに異なることを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。   The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductivity type termination region has a plurality of divided regions, and the plurality of divided regions have different impurity concentrations.
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