JP2008034646A - High breakdown voltage semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ショットキーバリアダイオード、PNダイオード、MOSFET、IGBT等の高耐圧半導体装置に関する。 The present invention relates to a high voltage semiconductor device such as a Schottky barrier diode, a PN diode, a MOSFET, or an IGBT.
半導体パワーデバイスにおいてはオン抵抗を最小化し、耐圧を最大化するようなデバイス構造及びデバイス材料が求められる。従来はシリコンを半導体材料として半導体パワーデバイスを作成し、デバイス終端部で電界集中が生じる箇所はJTE(Junction Termination Extension)と呼ばれる表面に形成したPN接合や、n型半導体基板表面にp型層のリング構造を作成し電界緩和するように設計して高耐圧化を行ってきた。 In semiconductor power devices, device structures and device materials that minimize on-resistance and maximize breakdown voltage are required. Conventionally, a semiconductor power device is made using silicon as a semiconductor material, and the location where electric field concentration occurs at the device termination is a PN junction formed on the surface called JTE (Junction Termination Extension) or a p-type layer on the surface of the n-type semiconductor substrate. A ring structure has been created and designed to relieve the electric field, thereby increasing the breakdown voltage.
従来、例えばショットキーダイオードにおいては、ショットキー電極部分から外側に連続してJTEとしてのp- 層(所謂RESURF層)を形成することにより、逆バイアス印加時にp- 層が空乏化させ、ショットキー電極端の電界を緩和して高耐圧を得ている。耐圧は、p- 層の濃度を深さ方向に積分した量、つまりp- 層形成のためのイオン注入のドーズ量に主に依存する。理想耐圧が得られるためにはそのドーズ量は破壊電界強度をEc、誘電率をε電荷素量をqとしてεEc/qに近い値である必要がある(非特許文献1参照)。 Conventionally, for example, in a Schottky diode, a p − layer (so-called RESURF layer) as a JTE is formed continuously from the Schottky electrode portion to deplete the p − layer when a reverse bias is applied. A high breakdown voltage is obtained by relaxing the electric field at the electrode end. The breakdown voltage mainly depends on the amount obtained by integrating the concentration of the p − layer in the depth direction, that is, the dose of ion implantation for forming the p − layer. In order to obtain an ideal withstand voltage, the dose amount needs to be a value close to εEc / q where the breakdown electric field strength is Ec, the dielectric constant is ε, and the elementary charge amount is q (see Non-Patent Document 1).
最近、シリコンを材料としたパワーデバイスの性能を飛躍的に凌駕する、炭化珪素(SiC)を材料としたパワーデバイスが開発されている。炭化珪素はワイドバンドギャップ半導体であり、破壊電界強度がシリコンの10倍近い大きさなのでパワー半導体の耐圧とオン抵抗のトレードオフを改善できる(非特許文献2参照)。炭化珪素を材料とする高耐圧半導体デバイスにおいてもシリコンと同様、表面にJTE構造を形成して高耐圧化を行ってきた。 Recently, power devices made of silicon carbide (SiC) have been developed that dramatically surpass the performance of power devices made of silicon. Silicon carbide is a wide band gap semiconductor, and since the breakdown electric field strength is nearly 10 times as large as that of silicon, the trade-off between the breakdown voltage and on-resistance of the power semiconductor can be improved (see Non-Patent Document 2). In a high voltage semiconductor device made of silicon carbide, a high voltage resistance has been achieved by forming a JTE structure on the surface like silicon.
しかしながら、炭化珪素においては破壊電界強度に異方性があるため、JTE構造の端部での電界が、最も破壊電界強度が最も大きいC軸方向から斜めにずれるため、耐圧が顕著に低下するという問題があった。C軸(<0001>方向)とこれに直交するA軸(<11−20>方向、但し、符号「−」は結晶学において数字の上に付ける「−」(バー)を表わしている)における破壊電界強度を、それぞれEc1、Ec2とし、SiC基板中のドナー濃度をNdとすると、Ec1、Ec2は以下の式で表わされることが報告されている(非特許文献3参照)。 However, since the breakdown electric field strength is anisotropic in silicon carbide, the electric field at the end of the JTE structure is obliquely shifted from the C-axis direction where the breakdown electric field strength is the highest, and the breakdown voltage is significantly reduced. There was a problem. In the C-axis (<0001> direction) and the A-axis (<11-20> direction orthogonal thereto, where the symbol “-” represents “-” (bar) added on the number in crystallography) It has been reported that Ec1 and Ec2 are expressed by the following equations, assuming that the breakdown electric field strength is Ec1 and Ec2, respectively, and the donor concentration in the SiC substrate is Nd (see Non-Patent Document 3).
Ec1=2.70×106(Nd/1016)0.1[V/cm]…(1)
Ec2=2.12×106(Nd/1016)0.1[V/cm]…(2)
耐圧の異方性により、A軸方向では耐圧がC軸の理想耐圧より1割以上低下することが分かる。
Ec2 = 2.12 × 10 6 (Nd / 10 16 ) 0.1 [V / cm] (2)
From the anisotropy of the breakdown voltage, it can be seen that the breakdown voltage is 10% lower than the ideal breakdown voltage of the C axis in the A-axis direction.
本発明は、このような問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は耐圧の異方性による耐圧低下を防止した高耐圧半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a high voltage semiconductor device in which a decrease in breakdown voltage due to anisotropy of breakdown voltage is prevented.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の第1は、炭化珪素よりなる半導体基板と、前記半導体基板の上面に形成された炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、前記半導体層の実質的中央部の活性層を取り囲むように、前記半導体層の表面に形成された炭化珪素からなる第2導電型の第1の半導体領域と、前記半導体層の表面で、前記第1の半導体領域の外側に接して形成され、前記第1の半導体領域の不純物濃度より低い濃度を有する炭化珪素からなる第2導電型の第2の半導体領域と、前記半導体層の前記活性層上に設けられた第1の電極と、前記半導体基板の裏面に設けられた第2の電極とを具備し、前記炭化珪素の比誘電率をε、前記炭化珪素の<0001>方向、<11−20>方向の破壊電界強度を夫々Ec1、Ec2、電荷素量をq、前記半導体層中のドナー濃度をNdとするとき、前記第1の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.8εEc1/q以上で1.2εEc1/q以下であり、前記第2の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.4εEc2/q以上で1.1εEc2/q以下であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate made of silicon carbide, a first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide formed on an upper surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor A first semiconductor region of a second conductivity type made of silicon carbide formed on the surface of the semiconductor layer so as to surround an active layer in a substantially central portion of the layer, and a surface of the semiconductor layer, A second semiconductor region of a second conductivity type formed of silicon carbide formed in contact with the outside of the semiconductor region and having a lower concentration than the impurity concentration of the first semiconductor region; and provided on the active layer of the semiconductor layer And a second dielectric electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate, wherein the relative dielectric constant of the silicon carbide is ε, the <0001> direction of the silicon carbide, <11-20> Direction breakdown electric field strengths Ec1 and Ec2, respectively When the elementary charge amount is q and the donor concentration in the semiconductor layer is Nd, the product of the impurity concentration and the depth of the first semiconductor region is 0.8εEc1 / q or more and 1.2εEc1 / q or less, The product of the impurity concentration and the depth of the second semiconductor region is 0.4εEc2 / q or more and 1.1εEc2 / q or less.
また、本発明の半導体装置の第2は、炭化珪素よりなる半導体基板と、前記半導体基板の上面に形成された炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、前記半導体層の実質的中央部の活性層を取り囲むように、前記半導体層の表面に形成された炭化珪素からなる第2導電型の第1の半導体領域と、前記半導体層の表面で、前記第1の半導体領域の外側に接して形成され、前記第1の半導体領域の不純物濃度より低い濃度を有する炭化珪素からなる第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域中で、前記第1の半導体領域の外側に形成され、前記第1の半導体領域のドナー濃度と実質的に同じ濃度を有する炭化珪素からなる複数の第3の半導体領域と、前記半導体層の前記活性層上に設けられた第1の電極と、前記半導体基板の裏面に設けられた第2の電極とを具備し、前記炭化珪素の比誘電率をε、前記炭化珪素の<0001>方向、<11−20>方向の破壊電界強度を夫々Ec1、Ec2、電荷素量をq、前記半導体層中のドナー濃度をNdとするとき、前記第1の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.8εEc1/q以上で8εEc1/q以下であり、前記第2の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.4εEc2/q以上で1.1εEc2/q以下であることを特徴とする。 According to a second aspect of the semiconductor device of the present invention, there is provided a semiconductor substrate made of silicon carbide, a first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide formed on an upper surface of the semiconductor substrate, and a substantially central portion of the semiconductor layer. A first semiconductor region of a second conductivity type made of silicon carbide formed on the surface of the semiconductor layer so as to surround the active layer, and a surface of the semiconductor layer in contact with the outside of the first semiconductor region. A second conductivity type second semiconductor region made of silicon carbide having a lower concentration than the impurity concentration of the first semiconductor region, and in the second semiconductor region, of the first semiconductor region A plurality of third semiconductor regions formed on the outside and made of silicon carbide having substantially the same concentration as the donor concentration of the first semiconductor region; and a first semiconductor layer provided on the active layer of the semiconductor layer Electrodes and the back of the semiconductor substrate A dielectric constant of the silicon carbide is ε, and breakdown electric field strengths of the silicon carbide in the <0001> direction and the <11-20> direction are Ec1, Ec2, and elementary charge, respectively. When the amount is q and the donor concentration in the semiconductor layer is Nd, the product of the impurity concentration and the depth of the first semiconductor region is 0.8εEc1 / q to 8εEc1 / q, and the second The product of the impurity concentration and the depth of the semiconductor region is 0.4εEc2 / q or more and 1.1εEc2 / q or less.
本発明によれば、破壊電界強度に異方性のある半導体において破壊電界強度の異方性による耐圧低下を防止することができる。本発明により耐圧を最大化できるので半導体本来の性能を引き出すことができ、面積あたりのオン抵抗が最小にして、最高の耐圧を示す高耐圧半導体装置を提供することができる。これにより、素子の高耐圧化、高電流密度化が達成できる。 According to the present invention, it is possible to prevent a decrease in breakdown voltage due to anisotropy of breakdown electric field strength in a semiconductor having anisotropy of breakdown electric field strength. Since the withstand voltage can be maximized according to the present invention, the inherent performance of the semiconductor can be derived, and the on-resistance per area can be minimized to provide a high withstand voltage semiconductor device exhibiting the highest withstand voltage. Thereby, it is possible to achieve high breakdown voltage and high current density of the element.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1及び図2は、本発明の第1の実施形態にかかる高耐圧半導体装置の模式的な断面図及び上面図であり、図1は図2のA−A´線に沿った断面に相当する。ここでは高耐圧半導体装置の一つとして、ショットキーバリアダイオードを用いて説明する。
(First embodiment)
1 and 2 are a schematic cross-sectional view and a top view of the high voltage semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1 corresponds to a cross section taken along the line AA ′ of FIG. To do. Here, a Schottky barrier diode will be described as one of high voltage semiconductor devices.
図1に示すように、第1の実施形態のショットキーバリアダイオードは、n+ 型SiC半導体基板1上にエピタキシャル成長されたn−型SiC半導体層2に形成されている。n−型半導体層2の表面には、JTE構造としての低不純物濃度の第1のp-型領域6が形成されている。第1のp-型領域6は、ショットキー電極3と一部重なり接続しており、電極3の周囲に広がっている。さらに第1のp-型領域6の外側に、これに接してこれより低濃度の第2のp-型領域7が形成されている。第2のp-型領域7の不純物濃度は、第1のp-型領域6の不純物濃度よりも低く設定されている。さらに、n−型半導体層2の表面端部にはn+ 型チャネルストッパ領域8が形成されている。また、第2のp-型領域7の外側端部と、n+ 型チャネルストッパ領域8の内側端部は離隔している。
As shown in FIG. 1, the Schottky barrier diode of the first embodiment is formed in an n − type
n−型半導体層2の上面は、シリコン酸化膜9で覆われ、例えばTiにより形成されたショットキー電極3の上部を開口した後、例えばAlからなる第1の電極(アノード電極)4を形成されている。さらにポリイミド等の保護膜10で全面が覆われ、第1の電極4の上部が開口されている。n+ 型SiC半導体基板1の裏面には、例えばNiからなる第2の電極(カソード電極)5が形成されている。
The upper surface of the n −
平面的には図3に示すように、中心部にショットキー電極3が形成され、その周りにJTEとしての第1のp-型領域6、第2のp-型領域7が形成されている。但し、図2の平面図は、半導体層2に第1のp-型領域6、第2のp-型領域7、ショットキー電極3が形成された直後の上面であることを注記する。第1のp-型領域6、第2のp-型領域7の幅w1 、w2 は、後述のように、ショットキーダイオードのドリフト層(n−型半導体層)2のドナー濃度(Nd)によって決定される。
In plan view, as shown in FIG. 3, a Schottky
ここで、第1のp-型領域6より外側の領域を終端領域11と称し、第1のp-型領域6と第2のp-型領域7を併せた領域を接合終端構造(JTE)と称する。第1のp-型領域6に囲まれた中心領域がショットキーダイオードとしての活性領域である。
Here, a region outside the first p − type region 6 is referred to as a
本実施形態で使用するSiC半導体基板は、前述のように耐圧に異方性を有している。<0001>方向の破壊電界強度をEc1、<11−20>方向の破壊電圧強度をEc2とすると、図3に示すように、Ec1>Ec2となる。また、夫々の数値は、前述の式(1)、(2)によって計算できる。 The SiC semiconductor substrate used in this embodiment has anisotropy in breakdown voltage as described above. Assuming that the breakdown electric field strength in the <0001> direction is Ec1, and the breakdown voltage strength in the <11-20> direction is Ec2, as shown in FIG. 3, Ec1> Ec2. Each numerical value can be calculated by the above-described equations (1) and (2).
また、SiC基板の製造には、SiC結晶の品質の点から、SiCのエピタキシャル成長が必要である。SiCのエピタキシャル成長膜は、結晶角度のC軸と呼ばれる<0001>方向から僅かに傾けたSiC面上に形成される。通常、SiC基板の主面は、<0001>方向に対して、8度以下傾いた(オフした)法線を備えている。 In addition, the production of a SiC substrate requires the epitaxial growth of SiC from the viewpoint of the quality of the SiC crystal. The SiC epitaxial growth film is formed on a SiC surface slightly inclined from the <0001> direction called the C-axis of the crystal angle. Usually, the main surface of the SiC substrate has a normal line inclined (turned off) by 8 degrees or less with respect to the <0001> direction.
前述の式(1)、(2)による破壊電圧強度は、オフ角度が0度の場合のものであるが、8度オフにおける、基板に垂直方向の破壊電圧強度Ec1´、基板に平行方向の破壊電圧強度Ec2´は夫々以下の式により与えられる。 The breakdown voltage intensity according to the above formulas (1) and (2) is for the case where the off angle is 0 degree, but the breakdown voltage intensity Ec1 ′ in the direction perpendicular to the substrate and the direction parallel to the substrate at 8 degrees off. The breakdown voltage intensity Ec2 ′ is given by the following equations, respectively.
Ec1´=2.68×106(Nd/1016)0.1[V/cm]…(3)
Ec2´=2.14×106(Nd/1016)0.1[V/cm]…(4)
即ち(1)式と(3)式の違い、及び(2)式と(4)式の違いは1%に満たないので、8度オフであっても0度オフとほぼ同一視できる。
Ec1 ′ = 2.68 × 10 6 (Nd / 10 16 ) 0.1 [V / cm] (3)
Ec2 ′ = 2.14 × 10 6 (Nd / 10 16 ) 0.1 [V / cm] (4)
That is, the difference between the formula (1) and the formula (3) and the difference between the formula (2) and the formula (4) are less than 1%.
図4は、従来のショットキバリアダイオード(通常のRESURF層を1つ備える)における破壊電界強度の異方性による耐圧の劣化を示すシミュレーション結果である。半導体層として、4H−SiC(シリコンカーバイド)を用いている。横軸はp-半導体領域(RESURF)の不純物濃度であり、縦軸は絶縁破壊耐圧を示す。一般に、絶縁破壊耐圧は半導体領域の濃度と深さの積の関数であり、この計算では半導体領域の深さは0.6μmにしている。破壊電界強度の等方性を仮定し、その絶対値を<0001>方向の値に設定したシミュレーション結果を○印のデータで示す。この結果によれば第1の半導体領域の濃度を最適化すれば耐圧は<0001>方向の理想耐圧(<0001>限界として示す)にほぼ等しい値が得られる。 FIG. 4 is a simulation result showing deterioration of breakdown voltage due to anisotropy of the breakdown electric field strength in a conventional Schottky barrier diode (equipped with one normal RESURF layer). As the semiconductor layer, 4H—SiC (silicon carbide) is used. The horizontal axis represents the impurity concentration of the p − semiconductor region (RESURF), and the vertical axis represents the breakdown voltage. In general, the breakdown voltage is a function of the product of the concentration and depth of a semiconductor region. In this calculation, the depth of the semiconductor region is set to 0.6 μm. Assuming that the breakdown field strength is isotropic, the simulation result in which the absolute value is set to the value in the <0001> direction is indicated by the data with a circle. According to this result, if the concentration of the first semiconductor region is optimized, the breakdown voltage can be almost equal to the ideal breakdown voltage in the <0001> direction (shown as the <0001> limit).
一方、現実にあわせて破壊電界強度の異方的を導入し、<0001>方向と<1120>方向の破壊電界強度を実験による値に設定して絶縁破壊耐圧を計算した結果を、×印のデータで示す。計算結果によれば、絶縁破壊耐圧が<0001>方向の理想耐圧と比べて10%程度低下し、またp-領域(RESURF)の最適濃度も理想耐圧の場合と異なる。p-層(RESURF)の設計濃度を、従来の設計手法(等方性シミュレーション)による最適値に設定すると、耐圧が50%以上低下する。 On the other hand, anisotropy of breakdown electric field strength was introduced in accordance with the actual situation, the breakdown electric field strengths in the <0001> direction and <1120> direction were set to experimental values, and the breakdown breakdown voltage was calculated. Shown in data. According to the calculation results, the dielectric breakdown voltage is reduced by about 10% compared to the ideal breakdown voltage in the <0001> direction, and the optimum concentration in the p − region (RESURF) is also different from that in the ideal breakdown voltage. When the design concentration of the p − layer (RESURF) is set to an optimum value by a conventional design method (isotropic simulation), the breakdown voltage is reduced by 50% or more.
図5は、従来の技術による素子の耐圧低下が、破壊電界強度の異方性にあることを示す図である。p-層の設計濃度を従来の設計の最適値に設定すると、終端構造の端で電界の方向がC軸に垂直方向にずれるため耐圧が低下する。矢印で示したものが電界の大きさと方向である、RESURFの端部では、矢印が基板面に平行な方向に大きく伸びているのがわかる。この方向の破壊強度は図3で説明したように、基板面に垂直方向よりも小さいので、耐圧が低下するのである。なお、電界強度の分布が等電線で示されている。 FIG. 5 is a diagram showing that the breakdown voltage reduction of the element according to the conventional technique is in the anisotropy of the breakdown field strength. When the design concentration of the p − layer is set to the optimum value of the conventional design, the direction of the electric field is shifted in the direction perpendicular to the C axis at the end of the termination structure, so that the breakdown voltage decreases. It can be seen that at the end of RESURF, where the arrow indicates the magnitude and direction of the electric field, the arrow extends greatly in the direction parallel to the substrate surface. Since the breaking strength in this direction is smaller than the direction perpendicular to the substrate surface as described with reference to FIG. 3, the breakdown voltage is reduced. The electric field strength distribution is shown by an equal wire.
図6は、図1に示す高耐圧半導体装置(×印のデータで示す)と、従来の高耐圧半導体装置(本発明の第1のp-型層に相当するRESURFのみ備える、菱形印のデータで示す)の耐圧を、シミュレーションにより比較した図である。横軸は、従来の技術ではp- 型層(RESURF)のドーズ量(濃度を深さ方向に積分したもの)であり、本実施形態では内側の第1のp- 型層6におけるドーズ量である。本実施形態により、耐圧を<0001>方向の限界値まで向上せしめることが可能となる。第1のp- 型層6の不純物濃度と深さの積に関しては、図6よりεEc1/qで最大の効果が得られ、0.8εEc1/q以上1.2εEc1/q以下まで効果が認められる。
FIG. 6 shows a diamond-shaped data including only the high-voltage semiconductor device shown in FIG. 1 (indicated by data indicated by x) and the conventional high-voltage semiconductor device (only RESURF corresponding to the first p − -type layer of the present invention). It is the figure which compared the pressure | voltage resistance of (shown by) by simulation. The horizontal axis represents the dose of the p − -type layer (RESURF) (concentration integrated in the depth direction) in the conventional technique, and in this embodiment, the dose of the first p − -
より詳細には、ドーズ量が規定の量より多い場合はRESURF層端で電界集中が起こり、一方ドーズ量が少ない場合はRESURF層が完全に空乏化してしまい、RESURF層の電界遮蔽効果が不足するので、電極端で電界集中が発生する。従って、第1のp-型層のドーズ量はεEc1/qとするのが好ましく、余裕を考えて0.8εEc1/q以上1.2εEc1/q以下が認められるということである。 More specifically, when the dose amount is larger than the prescribed amount, electric field concentration occurs at the end of the RESURF layer, whereas when the dose amount is small, the RESURF layer is completely depleted, and the electric field shielding effect of the RESURF layer is insufficient. Therefore, electric field concentration occurs at the electrode ends. Accordingly, the dose amount of the first p − -type layer is preferably εEc1 / q, and 0.8εEc1 / q or more and 1.2εEc1 / q or less are recognized in consideration of a margin.
図7、8は第1の実施形態の効果を説明する図面である。図7は素子中の最大電界部(第1のp- 型領域6の端部)の拡大図である。本実施形態では、最大電界の方向は<0001>方向(基板面に垂直方向)に揃っている。即ち、破壊強度の弱い横側からの電界を第2のp-型領域で7で抑制し、破壊強度の強い縦方向で電界を受ける構造となっている。 7 and 8 are drawings for explaining the effect of the first embodiment. FIG. 7 is an enlarged view of the maximum electric field portion (end portion of the first p − -type region 6) in the element. In the present embodiment, the direction of the maximum electric field is aligned in the <0001> direction (direction perpendicular to the substrate surface). That is, the structure is such that the electric field from the lateral side where the breaking strength is weak is suppressed by 7 in the second p − -type region, and the electric field is received in the vertical direction where the breaking strength is strong.
図8は第2のp- 型領域7の終端での電界の方向と分布を示す図である。第2のp- 型領域終端部の電界は<1120>方向の最大電界以下に抑えられている。本実施形態では外側の終端構造(第2のp- 型領域7)は<1120>方向の電界緩和を目的とし、内側の終端構造(第1のp- 型領域6)は<0001>方向の電界緩和構造に寄与することがこの図により示されている。
FIG. 8 is a diagram showing the direction and distribution of the electric field at the end of the second p − -
図9は第2のp- 型領域7の最適濃度範囲をシミュレーションにより求めた図である。第2のp- 型領域7のドーズ量が1.1εEc2/qを超えると、この領域の端部で電界集中が起こり耐圧が急落する。一方下限に関しては効果は0.4εEc2/qまで効果が認められる。
FIG. 9 is a diagram in which the optimum concentration range of the second p − -
図10は、第2のp- 型領域7のドーズ量が最適値より小さくなると、第1のp- 型領域6の耐圧のマージンが小さくなることを示しているが、ピーク値がシングルJTE耐圧限界値を上回っているので、横方向電界緩和の効果は持続していることがわかる。なお、シングルJTE耐圧限界値とは、JTE(RESURF)が1つの場合に、これ以上耐圧を上げられない限界値のことである。
FIG. 10 shows that when the dose amount of the second p − -
JTE領域の長さは、電極周辺部の空乏層の横方向と同じ程度以上に設定し、この領域の空乏層からの電気力線を終端する。この空乏層の横方向の広がりは、縦方向の空乏層の長さと同じでεEc/qNdで表わされる。本実施形態の場合、JTEは第1のp- 型層6とこれに隣接した第2のp- 型層7からなるので、この2つでεEc/qNdを満足すればよい。第2のp- 型層7で40%程度を負担すればよいので、第2のp- 型層7が完全空乏化するためには、その幅w2 は0.4εEc2/qNd以上εEc2/qNd以下となる。また、第1のp- 型層6が完全空乏化しないようにするために、その幅w1はεEc1/qNd−εEc2/qNd以上、好ましくはεEc1/qNd−0.4εEc2/qNd以上とすればよい。但し、上式に於いて、SiCの比誘電率をε、SiCの<0001>方向、<11−20>方向の破壊電界強度を夫々Ec1、Ec2、電荷素量をq、SiC層中のドナー濃度をNdとする。
The length of the JTE region is set to be equal to or greater than the lateral direction of the depletion layer around the electrode, and the electric lines of force from the depletion layer in this region are terminated. The spread of the depletion layer in the horizontal direction is the same as the length of the depletion layer in the vertical direction and is expressed by εEc / qNd. In the present embodiment, the JTE is composed of the first p − -
以上のように、第1の実施形態によれば、低濃度の第1のp- 型層の外側に、これよりさらに低濃度の第2のp- 型層をこれに接して設けることにより、破壊電界強度に異方性のある半導体において耐圧を最大化できるので、半導体本来の性能を引き出すことができる。 As described above, according to the first embodiment, the second p − type layer having a lower concentration than the low concentration first p − type layer is provided on the outside of the first p − type layer. Since the breakdown voltage can be maximized in a semiconductor having an anisotropy in breakdown electric field strength, the original performance of the semiconductor can be extracted.
(第2の実施形態)
図11は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。第1の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、第2のp- 型層7の中に第1のp- 型層6と同程度の濃度を有する複数のリング6´を有することである。
The second embodiment is different from the first embodiment in that the second p − -
第1のp- 型層6の周辺に、これと同程度の濃度を有するリング6´を配置することにより、第1のp- 型層への電界集中が緩和され、第1のp- 型層のドーズのマージンを7倍以上広げることが可能となる。より詳細には、第1のp- 型層6のドーズ(不純物濃度と深さの積)が0.8εEc1/q以上で8εEc1/q以下であれば良い。また、第1の実施形態と同様に、第2のp- 型層7のドーズは0.4εEc2/q以上で1.1εEc2/q以下とすることができる。幅についても、第2のp- 型層7の幅w2 は0.4εEc2/qNd以上εEc2/qNd以下とし、第1のp- 型層6の幅w1はεEc1/qNd−εEc2/qNd以上、好ましくはεEc1/qNd−0.4εEc2/qNd以上とすればよい。
By arranging a
(第3の実施形態)
図12は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の断面図である。第1の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第3の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、第2のp- 型層7の深さを第1のp- 型層6よりも深くしたことである。
The third embodiment is different from the first embodiment in that the depth of the second p − -
第2のp- 型層7の深さを深くすることにより、横方向電界の遮断効果を高めることが可能となる。
By increasing the depth of the second p − -
(第4の実施形態)
図13は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の断面図である。第3の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The same parts as those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第4の実施形態が第3の実施形態と異なる点は、第2のp- 型層7の深さを第1のp- 型層6よりも深くし、かつ第1のp- 型層6を下及び横から包み込むようにしたことである。
The fourth embodiment is the third embodiment differs from the second p - the depth of the
第2のp- 型層7の深さを深くすることにより、横方向電界の遮断効果を高めることが可能となる上,包み込むことによりJTE外側の角における電界集中を緩和することができる。
By increasing the depth of the second p − -
(第5の実施形態)
図14は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の断面図である。第4の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 14 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. The same parts as those in the fourth embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第5の実施形態が第4の実施形態と異なる点は、第2のp- 型層7の深さを第1のp- 型層6よりも深くし、第1のp- 型層6を下及び横から包み込むようにし、かつ第2のp- 型層7の中に第1のp- 型層6と同程度の濃度を有する複数のリング6´を有するようにしじたことである。
The fifth embodiment differs from the fourth embodiment, the second p - the depth of the
第2のp- 型層7の深さを深くすることにより、横方向電界の遮断効果を高めることが可能となる上,JTE外側の角における電界集中を緩和することができ、かつドーズのマージンを広げることが可能となる。
By increasing the depth of the second p − -
(第6の実施形態)
図15は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の断面図である。第1の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。
(Sixth embodiment)
FIG. 15 is a sectional view of a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第6の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、半導体装置をショットキーダイオードからpnダイオードに変更したことである。即ち、第1のp- 型層6に囲まれた活性領域の表面に、p+ アノード領域11を設け、その上にアノード電極4を設けたことである。
The sixth embodiment differs from the first embodiment in that the semiconductor device is changed from a Schottky diode to a pn diode. That is, the p + anode region 11 is provided on the surface of the active region surrounded by the first p − type layer 6, and the
このように構成しても、第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。なお、JTE構造に関し、第2〜第5の実施形態と同様にできることは言うまでもない。 Even if comprised in this way, there can exist an effect similar to 1st Embodiment. In addition, it cannot be overemphasized that it can carry out similarly to the 2nd-5th embodiment regarding a JTE structure.
(第7の実施形態)
図16は、本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の断面図である。第1の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。
(Seventh embodiment)
FIG. 16 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第7の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、半導体装置をショットキーダイオードから縦型MOSFETに変更したことである。図において、参照番号12は、p型領域である。p型領域12と第2のp- 型層7の間に、第1のp- 型層6が形成されている。参照番号15がn型ソース領域、16が絶縁膜、17がゲート電極、18がソース電極(第1の電極)である。
The seventh embodiment is different from the first embodiment in that the semiconductor device is changed from a Schottky diode to a vertical MOSFET. In the figure,
n+ 型半導体基板1がドレイン領域になるが、これをp型に変えればIGBTとすることができる。
The n + -
このように構成しても、第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。なお、JTE構造に関し、第2〜第5の実施形態と同様にできることは言うまでもない。 Even if comprised in this way, there can exist an effect similar to 1st Embodiment. In addition, it cannot be overemphasized that it can carry out similarly to the 2nd-5th embodiment regarding a JTE structure.
以上、本発明を実施形態を通じ説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 As mentioned above, although this invention was demonstrated through embodiment, this invention is not limited to the said embodiment as it is, A component can be deform | transformed and embodied in the range which does not deviate from the summary in an implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…炭化珪素(SiC)基板
2…炭化珪素(SiC)層
3…ショットキー電極
4…第1の電極
5…第2の電極
6…第1のp- 型層
7…第2のp- 型層
8…チャネルストッパ層
9…シリコン酸化膜
10…保護膜
11…p型領域
12…p型領域
15…ソース領域
16…ゲート絶縁膜
17…ゲート電極
18…ソース電極(第1の電極)
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体基板の上面に形成された炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の実質的中央部の活性層を取り囲むように、前記半導体層の表面に形成された炭化珪素からなる第2導電型の第1の半導体領域と、
前記半導体層の表面で、前記第1の半導体領域の外側に接して形成され、前記第1の半導体領域の不純物濃度より低い濃度を有する炭化珪素からなる第2導電型の第2の半導体領域と、
前記半導体層の前記活性層上に設けられた第1の電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2の電極と、
を具備し、前記炭化珪素の比誘電率をε、前記炭化珪素の<0001>方向、<11−20>方向の破壊電界強度を夫々Ec1、Ec2、電荷素量をq、前記半導体層中のドナー濃度をNdとするとき、
前記第1の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.8εEc1/q以上で1.2εEc1/q以下であり、前記第2の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.4εEc2/q以上で1.1εEc2/q以下であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate made of silicon carbide;
A first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide formed on the upper surface of the semiconductor substrate;
A first semiconductor region of a second conductivity type made of silicon carbide formed on the surface of the semiconductor layer so as to surround an active layer at a substantially central portion of the semiconductor layer;
A second semiconductor region of a second conductivity type formed of silicon carbide on the surface of the semiconductor layer and in contact with the outside of the first semiconductor region and having a lower concentration than the impurity concentration of the first semiconductor region; ,
A first electrode provided on the active layer of the semiconductor layer;
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
The dielectric constant of the silicon carbide is ε, the breakdown electric field strength of the silicon carbide in the <0001> direction and the <11-20> direction is Ec1, Ec2, the elementary charge is q, When the donor concentration is Nd,
The product of the impurity concentration and the depth of the first semiconductor region is 0.8εEc1 / q to 1.2εEc1 / q, and the product of the impurity concentration and the depth of the second semiconductor region is 0.4εEc2 / A semiconductor device characterized in that it is not less than q and not more than 1.1εEc2 / q.
前記半導体基板の上面に形成された炭化珪素からなる第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の実質的中央部の活性層を取り囲むように、前記半導体層の表面に形成された炭化珪素からなる第2導電型の第1の半導体領域と、
前記半導体層の表面で、前記第1の半導体領域の外側に接して形成され、前記第1の半導体領域の不純物濃度より低い濃度を有する炭化珪素からなる第2導電型の第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域中で、前記第1の半導体領域の外側に形成され、前記第1の半導体領域のドナー濃度と実質的に同じ濃度を有する炭化珪素からなる複数の第3の半導体領域と、
前記半導体層の前記活性層上に設けられた第1の電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2の電極と、
を具備し、前記炭化珪素の比誘電率をε、前記炭化珪素の<0001>方向、<11−20>方向の破壊電界強度を夫々Ec1、Ec2、電荷素量をq、前記半導体層中のドナー濃度をNdとするとき、
前記第1の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.8εEc1/q以上で8εEc1/q以下であり、
前記第2の半導体領域の不純物濃度と深さの積が0.4εEc2/q以上で1.1εEc2/q以下であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate made of silicon carbide;
A first conductivity type semiconductor layer made of silicon carbide formed on the upper surface of the semiconductor substrate;
A first semiconductor region of a second conductivity type made of silicon carbide formed on the surface of the semiconductor layer so as to surround an active layer at a substantially central portion of the semiconductor layer;
A second semiconductor region of a second conductivity type formed of silicon carbide on the surface of the semiconductor layer and in contact with the outside of the first semiconductor region and having a lower concentration than the impurity concentration of the first semiconductor region; ,
A plurality of third semiconductor regions made of silicon carbide formed outside the first semiconductor region and having substantially the same concentration as the donor concentration of the first semiconductor region in the second semiconductor region; ,
A first electrode provided on the active layer of the semiconductor layer;
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
The dielectric constant of the silicon carbide is ε, the breakdown electric field strength of the silicon carbide in the <0001> direction and the <11-20> direction is Ec1, Ec2, the elementary charge is q, When the donor concentration is Nd,
A product of the impurity concentration and the depth of the first semiconductor region is not less than 0.8εEc1 / q and not more than 8εEc1 / q;
A semiconductor device, wherein a product of impurity concentration and depth of the second semiconductor region is not less than 0.4εEc2 / q and not more than 1.1εEc2 / q.
前記半導体基板は第1導電型であり、前記活性層にpnダイオード構造が形成されている請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置。 A second conductivity type fifth semiconductor region on the upper surface of the active layer surrounded by the first semiconductor region;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is of a first conductivity type, and a pn diode structure is formed in the active layer.
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