JP2010177434A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ESD耐量の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板表面に設けられた半導体基板よりも不純物濃度が高いPW層24と、半導体基板表面にPW層24と接して設けられた半導体基板よりも不純物濃度が高いNW層23と、PW層24内の半導体基板表面に設けられたPW層24よりも不純物濃度が高いp+ベース層5と、NW層23内の半導体基板表面に設けられたNW層よりも不純物濃度が高いn+コレクタ2層と、p+ベース層5とn+コレクタ層2の間に位置しPW層24内の半導体基板表面に設けられたPW層24よりも不純物濃度が高いn+エミッタ層6と、n+コレクタ層2とPW層24の間にn+コレクタ層2と接して設けられたn+コレクタ層2より不純物濃度が低くNW層23より不純物濃度が高いn±層10を有する半導体装置とした。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置に関する。特に、高いESD耐量を有する半導体装置に関する。
ICの機能を直接に決定するものではないが信頼性を保つ上で無くてはならないのがESD素子である。ESD素子は静電気放電素子のことで、静電気によってICが破壊されないように静電気を放電させる役割を担っている。
そのため、静電気によってESD素子自体が熱破壊されず、内部回路に静電気が入る前に素早く電荷を引き抜いて内部回路を守れることが必須条件となる。この条件を満足するには、局所的な発熱を抑制し、かつ、駆動能力の高いことがESD素子特性に求められる。一般的な方法は、ESD素子における電流の流れる箇所の断面積を大きくすることであるが、当然サイズが大きくなる。したがって、より小さく上記の特性を得ることが重要な点となる。
また、ICの通常の機能に支障をきたさないために、ESD素子のブレイクダウン電圧はICの絶対最大定格以上であることが求められる。そのため特に高耐圧系のICに関しては、ESD保護素子は絶対最大定格以上の電圧が印加された状態で静電気の電荷を引き抜くため、上記の局所的な発熱の問題がより深刻になってくる。
特許文献1はESD素子の局所的な発熱による電極溶解破壊を抑制するための構造を開示している。その概念図を断面図により図2に示す。例えばPADにプラスの静電気が注入された場合コレクタ電極7を介しn+コレクタ層2、そしてNW耐圧向上用電界緩和層23へと流れ込むが、NW耐圧向上用電界緩和層23が高抵抗であるため、n+コレクタ層2に電荷が溜まりやすく、n+コレクタ層2からn+エミッタ層6までの距離が短い経路のn+コレクタ層2とNW耐圧向上用電界緩和層23の境界付近(図中に丸で囲って示した「発熱箇所))で電界が強まり局所的に発熱し、その熱がコレクタコンタクト領域1まで伝わりコレクタ電極7を溶解する。そこで、上記発熱箇所からコレクタコンタクト領域1までの距離bを伸ばすことにより、コレクタ電極7の溶解破壊を抑制するというのがこの発明のポイントである。
特開2004−335634号公報
しかしながら、特許文献1に示されるのは局所的な発熱自体を抑制する方法ではないため、発熱点であるシリコンを溶解し破壊する可能性がある。また、距離bを伸ばすことによってサイズが大きくなるだけでなくコレクタ層2の抵抗が上がりESD素子自体の駆動能力を下げ、内部回路が静電気の危険にさらされる可能性が高くなる。そのため駆動能力を向上させるためにはESD素子のベース長を大きくすることになり、そうするとさらにサイズが大きくなってしまう。
こうしたことより、ESD素子を大きくせずに十分な特性を得るためには、ESD素子の局所的な発熱自体を抑制することが重要となる。
そこで、上記課題を解決するために、
(1)半導体基板と、前記半導体基板表面に設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第一導電型PW層と、前記半導体基板表面に前記PW層と接して設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第二導電型NW層と、前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第一導電型p+ベース層と、前記NW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記NW層よりも不純物濃度が高い第二導電型n+コレクタ層と、前記p+ベース層と前記n+コレクタ層の間に位置し前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第二導電型n+エミッタ層と、前記n+コレクタ層と前記PW層の間に前記n+コレクタ層と接して設けられた前記n+コレクタ層より不純物濃度が低く前記NW層より不純物濃度が高い第二導電型n±層を有する半導体装置とした。
(2)(1)に記載の半導体装置において、前記n±層が前記NWに内在している半導体装置とした。
(3)(1)に記載の半導体において、前記n±層が前記NWと前記PW間にまたがって設けられた半導体装置とした。
(4)(2)に記載の半導体装置において、前記n+コレクタ層が前記n±層に内在している半導体装置とした。
(5)(3)に記載の半導体装置において、前記n+コレクタ層が前記n±層に内在している半導体装置とした。
(6)半導体基板と、前記半導体基板表面に設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第一導電型PW層と、前記半導体基板表面に前記PW層と接して設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第二導電型NW層と、前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第一導電型p+電位固定層と、前記NW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記NW層よりも不純物濃度が高い第二導電型n+ドレイン層と、前記p+電位固定層と前記n+ドレイン層の間に位置し前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第二導電型n+ソース層と、前記n+ドレイン層と前記PW層の間に前記n+ドレイン層と接して設けられた前記n+ドレイン層より不純物濃度が低く前記NW層より不純物濃度が高い第二導電型n±層と、前記n±層と前記n+ソース層間の一部の半導体基板表面に設けられたゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に設けられたゲート電極を有する半導体装置とした。
(7)(6)に記載の半導体装置において、前記n±層の一部の基板表面に設けられた酸化膜と、前記酸化膜上に前記ゲート電極に接せずに設けられた電極を有する半導体装置とした。
(8)(7)に記載の半導体装置において、前記ゲート電極と前記n±層上電極の間の半導体基板表面に第二導電型n層を有する半導体装置とした。
(9)(6)に記載の半導体において、前記n±層が前記NWに内在している半導体装置とした。
(10)(7)に記載の半導体装置において、前記n±層が前記NWに内在している半導体装置とした。
(11)(8)に記載の半導体装置において、前記n±層が前記NWに内在している半導体装置とした。
(12)(6)に記載の半導体において、前記n+コレクタ層が前記n±層に内在している半導体装置とした。
(13)(7)に記載の半導体において、前記n+コレクタ層が前記n±層に内在している半導体装置とした。
(14)(8)に記載の半導体において、前記n+コレクタ層が前記n±層に内在している半導体装置とした。
上述の手段を用いることにより、局所的な発熱を分散させ最大発熱温度を下げることでESD耐量が向上する。
本発明の実施例1を示す図。 従来技術の例を示す図。 本発明の実施例2を示す図。 本発明の実施例3を示す図。 本発明の実施例4を示す図。 本発明の実施例5を示す図。 本発明の実施例6を示す図。 本発明の実施例7を示す図。 本発明の実施例8を示す図。 本発明の実施例9を示す図。 本発明の実施例10を示す図。 従来技術の不純物濃度のシミュレーション結果を示す図。 従来技術の格子温度のシミュレーション結果を示す図。 本発明の実施例1の不純物濃度のシミュレーション結果を示す図。 本発明の実施例1の格子温度のシミュレーション結果を示す図。 本発明の実施例2の不純物濃度のシミュレーション結果を示す図。 本発明の実施例2の格子温度のシミュレーション結果を示す図。 従来技術のExtended Drain構造MOS型ESD素子を示す図。 ESD試験の結果を示す図。 ESD試験後のESD素子の破壊箇所を示す図。
以下、図面を利用して本発明の半導体装置について説明する。
図1は本発明の実施例1の断面図である。半導体基板であるSubの表面に半導体基板よりも不純物濃度の高い耐圧向上用電界緩和層であるNW層23(本実施例ではN型ウェル)とベース領域であるPW層24(本実施例ではP型ウェル)が隣接して形成されている。NW層23内の半導体基板表面には、NW層23よりも不純物濃度の高いn+コレクタ層2が形成され、n+コレクタ層2のPW層24に近い側にn+コレクタ層2の不純物濃度とNW層23の不純物濃度の中間の不純物濃度を有する発熱抑制用電界緩和層であるn±層10がn+コレクタ層2と隣接して形成されている。このとき、n±層10の一方の側端部はn+コレクタ層2と隣接し、他端部はNW層23とは接していて、NW層23とPW層24との接合面とは離間している。
また、PW層24内の半導体基板表面にはn+エミッタ層6とp+ベース層5が離間して形成され、NW層23とPW層24との接合面から離間してn+エミッタ層6が形成され、次いで、p+ベース層5が順に並んでいる。半導体基板の表面は絶縁膜9で被覆されて、n+コレクタ層2とn+エミッタ層6とp+ベース層5の上には、それぞれコレクタコンタクト領域1とエミッタコンタクト領域3とベースコンタクト領域4を設けて電極の取り出しを行っている。n+コレクタ層2はコレクタ電極7を介してPAD(入力パッド)に繋がり、n+エミッタ層6とp+ベース層5は共通の配線であるエミッタ・ベース電極8を介してアースに繋がっている。
本実施例の構造は、従来例である図2のESD素子のn+コレクタ層2とn+エミッタ層6間の耐圧向上用電界緩和層であるNW層23中にn+コレクタ層2とNW層23の中間の不純物濃度を有する発熱抑制用電界緩和層であるn±層10を挿入したものである。この層を挿入することにより、急激な濃度勾配がなくなるので静電気が注入された際に電荷の溜まる箇所の集中が抑えられ、局所的な電界が緩和し局所的な発熱が抑制される。
図12(a)は従来技術(図2にあたるもの)のESD素子断面の不純物濃度分布の一例で、同図(b)は同図(a)の線分ABに沿った不純物濃度分布である。コレクタ電極から注入された静電気はエミッタ方向に流れようとするが、その間に高抵抗部が存在すると電荷が溜まり高電界が生じる。その箇所は図12(b)に示すようにαとβの2箇所存在する。この構造において静電気電流パルス5mAをコレクタ電極に注入したときの格子温度のシミュレーション結果を図13に示す。ここで(a)が断面図における格子温度分布で(b)が(a)の線分ABに沿った格子温度分布である。図13を見ると図12で示したαとβの箇所で格子温度が上昇していることが分かり、最大格子温度はαで530Kに達する。
一方、図14は図1示す実施例1による構造をとった場合の濃度分布の一例を示す。この構造において電荷が溜まり高電界が生じる箇所は図12のαとβに加えγの合計3箇所となる。この構造において同様に静電気電流パルス5mAをコレクタ電極に注入したときの格子温度のシミュレーション結果を図15に示す。図14に示すα、β、γの箇所で格子温度が上昇するものの、最大格子温度はβで430Kにとどまり、従来技術よりも最大発熱温度が抑制されていることが分かる。これは、発熱抑制用電界緩和層であるn±層を挿入することによってα部の濃度勾配を緩やかにし、残りの濃度勾配をγ部に分配し発熱箇所を分散させたため、最大発熱温度が抑制されるためである。従って、従来技術に比べα部の発熱温度が抑制されるので図1に示す距離bを縮めることが可能となる。
図3は本発明の実施例2の断面図である。これは図1に示す実施例1のn±層10がPW層24まではみ出した構造をしている。このシミュレーション結果を実施例1と同様に図16と図17に示す。図16が不純物濃度分布で図17が格子温度分布である。図16(b)の濃度分布から電荷が溜まり高電界が生じる箇所はα、β、γの3箇所存在し、図17の格子温度のピーク箇所は図16(b)のα、β、γの位置と一致している。ただし、β部に関する発熱量はわずかで、ほとんどの発熱量をα部とγ部で分配しており、従来技術の状況に似ているが、実施例2の場合α部とγ部でバランスよく発熱量を分配しているため、最大発熱量はγ部で440Kと従来技術に比べ減少している。従って、この構造に関しても実施例1と同様の効果が得られ、従来技術に比べα部の発熱温度が抑制されるので距離bを縮めることが可能となる。
ただし、この構造においてはPW層とNW層とのジャンクション部のNW側の濃度勾配が変化し、ESD素子のブレイクタウン電圧が変化するため注意が必要である、一方、逆の発想をすると、n±発熱抑制用電界緩和層のPWベース領域はみ出し量を変えることによりで耐圧を微調整することが可能となる。
図4は実施例3の断面図であり、図1の実施例1と異なる点は、n±層10を2重拡散により作成したところである。すなわち、n±層10はn+コレクタ層2の下面および側面の周囲を囲むように形成されている。この場合も実施例1と同等のESD耐量効果が得られる。
図5は実施例4の断面図であり、図3の実施例2と異なる点は、n±層10を2重拡散により作成したところであり、すなわち、n±層10はn+コレクタ層2の下面および側面の周囲を囲むように形成されている。この場合も実施例2と同等のESD耐量効果が得られる。
実施例1〜4のESD素子はバイポーラトランジスタ型のESD素子であるが、本発明はMOS型のESD素子にも適用可能である。例えば、実施例1の基本構造を一般的なLDD構造のMOS型のESD素子に適用した例を図6に示す。半導体基板であるSubの表面に半導体基板よりも不純物濃度の高い、耐圧向上用電界緩和層であるNW層23(本実施例ではN型ウェル)とNW層とは逆導電型の領域であるPW層24(本実施例ではP型ウェル)が隣接して形成されている。NW層23内の半導体基板表面には高濃度領域であるn+ドレイン層12が形成され、n+ドレイン層12のPW層24に近い側に中濃度領域の発熱抑制用電界緩和層であるn±層10がn+ドレイン層12と隣接して形成されている。このとき、n±層10の一方の側端部はn+ドレイン層12と隣接して、他端部は低濃度領域である第1のn−領域25と接する。第1のn−領域25はNW層23とPW層24との接合面を越えてPW層24にはみ出し、第1のn−領域25の他端部はPW層24と同一濃度であるチャネル領域28と接する。さらに、PW層24内の半導体基板表面には、第2のn−領域25とn+ソース層16とp+電位固定層15とが形成される。上述のチャネル領域28と接して第2のn−領域25が設けられ、さらに第2のn−領域と接してn+ソース領域16が形成される。また、p+電位固定層15はn+ソース領域16と離間して設けられる。第1のn−領域25と第2のn−領域25に挟まれるチャネル領域28の上方には絶縁膜を介して多結晶シリコンからなるゲート電極19が形成される。
n+ドレイン層12とゲート電極19とn+ソース層16とp+電位固定層15の上に、それぞれドレインコンタクト領域11とゲートコンタクト領域29とソースコンタクト領域13と基板コンタクト領域14を設けて電極の取り出しを行っている。n+ドレイン層12はドレイン電極17を介してPAD(入力パッド)に繋がり、n+ソース層16とp+電位固定層15は共通の配線であるソース・基板電極18を介してアースに繋がっている。また、ゲート電極19も金属からなるゲート配線20を介してソース・基板電極と連結して同電位となるように構成されている。
上記構成のMOS型にすることでチャネル領域28の電位をゲート電極で押さえることが可能となり、バイポーラトランジスタ型よりリークを抑えることができるため、チャネル長を短くすることが可能となり、更にサイズ縮小が可能となる。ESD耐量に関する効果は実施例1と同等である。
本実施例ではLDD構造のMOS型トランジスタを例に説明したが、低濃度領域であるn−領域を有さないコンベンショナル構造のMOS型トランジスタを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
半導体装置の製造にサリサイドプロセスが用いられた場合、サリサイドプロセスによって作成されたMOSのドレイン部に静電気が注入されると、静電気はシリサイド化された低抵抗化した基板表面を介してゲートエッジに到達し、ゲート絶縁膜を破壊するため、ESD耐量が極めて低くなりやすい。そのため、一般的にサリサイドプロセスにおいてはサリサイドブロックプロセスを付加することによりこのESD耐量の低下を防いでいる。
図7は本発明の実施例6の断面図である。この構造は実施例5において、n+ドレイン層12とゲート電極19の間の基板表面にサリサイドブロック用の電極21を設けた構造である。サリサイドプロセスの場合、サリサイドブロック用の電極21を設けることにより、サリサイドブロック用の電極21直下の基板表面がシリサイド化されずESD耐量低下を防ぐことが可能であり、サリサイドブロックプロセスと同等のESD耐量効果が得られる。例えばこのサリサイドブロック用の電極21をゲート電極19と同じもので作成すればサリサイドブロックプロセスを付加することなく既存プロセスでサリサイドブロックをすることが可能となるため、プロセスステップ数を減らすことができる。
ここで、サリサイドブロック用の電極21の電位は特性を安定化させるためフローティングは避けたほうが良い。またソース・基板電極18と同電位にした場合、n+ドレイン層12とサリサイドブロック用の電極21間で破壊が生じる恐れがある。また、PADに+の静電気が注入された場合、n±層10が空乏化し保護素子の駆動能力が著しく失われる可能性がある。したがって、サリサイドブロック用の電極21の電位はサリサイドブロック用の電極配線22を介してドレイン電極17と同電位にするのが望ましい。
上記の構造にすることで、サリサイドプロセスを用いてもサリサイドブロックプロセスを付加することなく実施例5と同等のESD耐量効果を得ることが可能となる。
図8は本発明の実施例7の断面図である。この構造は実施例6のサリサイドブロック用電極21とゲート電極19間の基板表面上にn型の耐圧調整層26を設けた構造である。すなわち、n型の耐圧調整層26をn±層10と第1のn−領域25の間に形成した点が実施例6と異なる。この耐圧調整層26の不純物濃度を調整することにより、保護素子の耐圧を調整することが可能となる。ESD耐量に対する効果は実施例6と同等である。
実際のESD試験結果を図19に示す。(a)が人体モデルによるHBM試験結果、(b)がマシンモデルによるMM試験結果であり、縦軸は電圧で表されるESD耐量、横軸はゲート幅を示している。○印が本発明を採用していない一般のExtended Drain MOS(EDMOS)構造のESD素子の結果、×印が本発明の実施例7の構造を適用した場合の結果である。ここで、上記EDMOS型ESD素子の断面構造を図18に示す。EDMOSにおいて距離bは0.24μmとなっており、実施例7の構造における距離bである0.20μmとほぼ等しい。同じゲート幅600μmで比較すると(実施例7の構造の結果については600μmの実測値がないので直線補間により値を予測)、HBM、MMともにEDMOS型より実施例7のESD素子の方がESD耐量は約3倍向上しており、この結果から本発明の発熱抑制効果が分かる。
また、図20に図19で破壊したサンプルの破壊箇所の写真を示す。(a)がEDMOS型ESD素子、(b)が実施例7の構造のESD素子である。本発明を実施していないEDMOS型ESD素子に関してはドレイン領域のコンタクト部が破壊されており、図12と図13の最大発熱温度箇所のα部で局所的に発熱が生じ、その熱がドレインコンタクト部に伝わりドレイン電極を溶解破壊したと考えられ、シミュレーションどおりの結果が得られていることが分かる。一方、本発明を実施した実施例7のESD素子の破壊箇所はドレイン領域ではなく、ゲート電極エッジ部が破壊されている。この破壊箇所は図14と図15の最大発熱温度箇所のβと同じで、これもまたシミュレーションどおりの結果が得られている。
図9は本発明の実施例8の断面図であり、実施例5の発熱抑制用電界緩和層であるn±層10を2重拡散により作成したものである。すなわち、n±層10はn+ドレイン層12の下面および側面の周囲を囲むように形成されている。この場合も実施例5と同等のESD耐量効果が得られる。
図10は本発明の実施例9の断面図であり、実施例6のn±層10を2重拡散により作成したものである。すなわち、n±層10はn+ドレイン層12の下面および側面の周囲を囲むように形成されている。この場合も実施例6と同等のESD耐量効果が得られる。
図11は本発明の実施例10の断面図であり、実施例7のn±層10を2重拡散により作成したものである。すなわち、n±層10はn+ドレイン層12の下面および側面の周囲を囲むように形成されている。この場合も実施例7と同等のESD耐量効果が得られる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で変形して実施できる。
1 コレクタコンタクト領域
2 n+コレクタ層
3 エミッタコンタクト領域
4 ベースコンタクト領域
5 p+ベース層
6 n+エミッタ層
7 コレクタ電極
8 エミッタ・ベース電極
9 絶縁膜
10 n±層
11 ドレインコンタクト領域
12 n+ドレイン層
13 ソースコンタクト領域
14 基板コンタクト領域
15 p+電位固定層
16 n+ソース層
17 ドレイン電極
18 ソース・基板電極
19 ゲート電極(Poly Si)
20 ゲート配線(金属)
21 サリサイドブロック用電極
22 サリサイドブロック用電極配線
23 NW層
24 PW層
25 n−領域
26 n型耐圧調整層
27 LOCOS
28 チャネル領域
29 ゲートコンタクト領域

Claims (14)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板表面に設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第一導電型のPW層と、
    前記半導体基板表面に前記PW層と接して設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第二導電型のNW層と、
    前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第一導電型のベース層と、
    前記NW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記NW層よりも不純物濃度が高い第二導電型のコレクタ層と、
    前記ベース層と前記コレクタ層の間に位置し前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第二導電型のエミッタ層と、
    前記コレクタ層と前記PW層の間に前記コレクタ層と接して設けられた前記コレクタ層より不純物濃度が低く前記NW層より不純物濃度が高い第二導電型の電界緩和層と、
    を有する半導体装置。
  2. 前記電界緩和層が前記NWに内在している請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記電界緩和層が前記NWと前記PW間にまたがって設けられた請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記コレクタ層が前記電界緩和層に内在している請求項2に記載の半導体装置。
  5. 前記コレクタ層が前記電界緩和層に内在している請求項3に記載の半導体装置。
  6. 半導体基板と、
    前記半導体基板表面に設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第一導電型のPW層と、
    前記半導体基板表面に前記PW層と接して設けられた前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第二導電型のNW層と、
    前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第一導電型の電位固定層と、
    前記NW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記NW層よりも不純物濃度が高い第二導電型のドレイン層と、
    前記電位固定層と前記ドレイン層の間に位置し前記PW層内の前記半導体基板表面に設けられた前記PW層よりも不純物濃度が高い第二導電型のソース層と、
    前記ドレイン層と前記PW層の間に前記ドレイン層と接して設けられた前記ドレイン層より不純物濃度が低く前記NW層より不純物濃度が高い第二導電型電界緩和層と、
    前記電界緩和層と前記ソース層間の一部の半導体基板表面に設けられたゲート酸化膜と、
    前記ゲート酸化膜上に設けられたゲート電極と、
    を有する半導体装置。
  7. 前記電界緩和層の一部の基板表面に設けられた酸化膜と、前記酸化膜上に前記ゲート電極に接せずに設けられた電極とをさらに有する請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記ゲート電極と前記電界緩和層上電極の間の半導体基板表面に第二導電型の耐圧調整層をさらに有する請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記電界緩和層が前記NWに内在している請求項6に記載の半導体装置。
  10. 前記電界緩和層が前記NWに内在している請求項7に記載の半導体装置。
  11. 前記電界緩和層が前記NWに内在している請求項8に記載の半導体装置。
  12. 前記ドレイン層が前記電界緩和層に内在している請求項6に記載の半導体装置。
  13. 前記ドレイン層が前記電界緩和層に内在している請求項7に記載の半導体装置。
  14. 前記ドレイン層が前記電界緩和層に内在している請求項8に記載の半導体装置。
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