JP2011066207A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置、特に高耐圧半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high voltage semiconductor device.
従来のパワーデバイスは、半導体基板表面内にイオン注入又は不純物拡散によって形成されるp型半導体層及びn型半導体層と、p型半導体層及びn型半導体層の表面上に形成される絶縁膜及び電極とを有している。この様な基本構成を有するパワーデバイスの電極のコーナー部(電極端部)に於いては、電界集中が生じ易く、当該電界集中を緩和するために、電極終端部に接触する位置に於いて、半導体層中に、不純物領域(以下、GR(Guard Ring)層(ガードリング層)と言う。)が形成される。更に、GR層のコーナー部(電極端部)に生じる電界集中を半導体層内部の方向へと広げて緩和するために、GR層の外側の半導体層表面内に、GR層に接触して又は離間して、別の不純物領域(以下、JTE(Junction Termination Extension)層と言う。)が形成される。 A conventional power device includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed by ion implantation or impurity diffusion in the surface of a semiconductor substrate, an insulating film formed on the surfaces of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and Electrode. In the corner portion (electrode end portion) of the electrode of the power device having such a basic configuration, electric field concentration is likely to occur, and in order to alleviate the electric field concentration, at a position in contact with the electrode terminal portion, An impurity region (hereinafter referred to as a GR (Guard Ring) layer (guard ring layer)) is formed in the semiconductor layer. Further, in order to reduce the electric field concentration generated at the corner portion (electrode end portion) of the GR layer in the direction toward the inside of the semiconductor layer, the surface of the semiconductor layer outside the GR layer is contacted with or separated from the GR layer. Thus, another impurity region (hereinafter referred to as a JTE (Junction Termination Extension) layer) is formed.
ここで、図10は、特許文献1に記載された従来のパワー半導体装置の電極終端構造を示す縦断面図であり、より具体的には、終端構造としてGR層及び複数のJTE層を有するショットキーバリアダイオードの縦断面構造を示す。図10に示す様に、n+型半導体基板1P上のn-型半導体層2Pの表面上に、ショットキー電極としての第1電極3Pが形成されている。そして、第1電極3Pの端部に接してリング状に第1電極3Pを取り囲む様に、第1のp型半導体層から成るGR層4Pがn-型半導体層2Pの表面より同層2Pの内部に向けて形成されている。更に、n-型半導体層2Pの表面から同層2Pの内部に向けて、第2のp型半導体層から成る複数のJTE層5Pが、GR層4Pと離間して、GR層4Pの周囲にリング状に位置する様に形成されている。n+型半導体基板1Pの裏面上には、オーミック電極として、第2電極6Pが形成されている。又、絶縁膜7Pは、第1電極3Pの端部を含む当該電極3Pの一部上と、GR層4Pの第1電極3Pの端部から外側に突出した部分の表面上と、各JTE層5Pの表面上と、n-型半導体層2Pの表面上とに、形成されている。
Here, FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing an electrode termination structure of the conventional power semiconductor device described in
上記の様に、図10の終端構造は、第1電極3Pの端部の電界を緩和するためのGR層4Pと、GR層4Pの端部(コーナー部)4PEに於ける電界集中を緩和するための複数個のJTE層5Pとを、備えている。
As described above, the termination structure of FIG. 10 relaxes the electric field concentration at the
この様なGR層4PとJTE層5Pとから成る終端構造を有する半導体装置は、n-型半導体層2Pの厚さと不純物濃度とから算出される理想耐圧に近い耐圧を得ることが出来る。
Such a semiconductor device having a termination structure composed of the
しかしながら、図10に示す様なJTE層5Pを設けた終端構造では、n-型半導体層2Pと絶縁膜7Pとの界面8Pに存在する準位若しくは欠陥、又は、絶縁膜7P中から界面8Pを介して浸入してくる微量な外来不純物若しくは外部から絶縁膜7Pを通して界面8Pまで浸入してくる微量な外来不純物の何れもが、漏れ電流の発生源及び降伏点となってしまい、耐圧が大幅に劣化する場合があった。
However, in the termination structure provided with the
本発明は、この様な問題点を解決するために成されたものであり、第1導電型の半導体層表面に存在する欠陥、準位及び外来不純物の影響による耐圧の劣化を抑制した、高耐圧な半導体装置を提供することを、その目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and suppresses deterioration of breakdown voltage due to the effects of defects, levels and foreign impurities existing on the surface of the first conductivity type semiconductor layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor device withstand voltage.
この発明の主題に係る半導体装置は、第1導電型の半導体層と、前記半導体層の主面上に形成された電極と、前記半導体層の前記主面の内で前記電極の端部及び前記端部の周辺部の直下に位置する部分から前記半導体層の内部に向けて形成され、且つ、前記電極を取り囲む様に形成された第2導電型のガードリング層と、前記ガードリング層から離間して前記ガードリング層を取り囲む様に、前記半導体層の前記主面の内で前記端部周辺部よりも外側に位置する部分から前記半導体層の内部に向けて形成された、少なくとも一つから成る溝と、前記少なくとも一つの溝の底部より前記半導体層の内部に向けて、所定の深さまで深さが深くなるほど不純物濃度が増加し、かつ、前記ガードリング層を取り囲む様に形成された、少なくとも一つから成る前記第2導電型のJTE層と、前記ガードリング層の表面及び前記少なくとも一つのJTE層の表面を被覆する様に、前記半導体層の前記主面上に形成された絶縁膜とを備えたことを特徴とする。 A semiconductor device according to a subject of the present invention includes a first conductivity type semiconductor layer, an electrode formed on a main surface of the semiconductor layer, an end portion of the electrode in the main surface of the semiconductor layer, and the electrode A second conductivity type guard ring layer formed from a portion located immediately below the peripheral portion of the end portion toward the inside of the semiconductor layer and surrounding the electrode; and spaced apart from the guard ring layer Then, at least one formed from a portion located outside the peripheral portion of the end portion of the main surface of the semiconductor layer toward the inside of the semiconductor layer so as to surround the guard ring layer. An impurity concentration increases as the depth increases to a predetermined depth from the bottom of the at least one groove toward the inside of the semiconductor layer, and is formed so as to surround the guard ring layer. At least one The second conductivity type JTE layer, and an insulating film formed on the main surface of the semiconductor layer so as to cover the surface of the guard ring layer and the surface of the at least one JTE layer. It is characterized by that.
本発明の主題によれば、第1導電型半導体層の表面に形成した溝の底部直下領域に所定の深さまで深さが深くなるほど不純物濃度が増加するJTE層が形成されているので、逆方向電圧の印可時に第1導電型半導体層の表面に加わる電界強度を小さくすることが出来る。しかも、本発明の主題によれば、第1導電型半導体層の表面の帯電状態が変化しても、溝が形成されてはいない第1導電型半導体層の表面とJTE層の底部とが比較的離れているために、JTE層の端部の電界強度分布の変動を抑制することも出来る。又、JTE層をイオン注入法により形成する場合に多段のイオン注入を実施する必要がなく、JTE層を浅く形成してもよいため、本発明の半導体装置をより容易に製造することができる。 According to the subject of the present invention, the JTE layer whose impurity concentration increases as the depth increases to a predetermined depth is formed in the region immediately below the bottom of the groove formed on the surface of the first conductivity type semiconductor layer. The electric field strength applied to the surface of the first conductivity type semiconductor layer when a voltage is applied can be reduced. Moreover, according to the subject matter of the present invention, even if the charged state of the surface of the first conductivity type semiconductor layer changes, the surface of the first conductivity type semiconductor layer in which no groove is formed is compared with the bottom of the JTE layer. Therefore, the fluctuation of the electric field intensity distribution at the end of the JTE layer can be suppressed. Further, when the JTE layer is formed by the ion implantation method, it is not necessary to perform multi-stage ion implantation, and the JTE layer may be formed shallowly, so that the semiconductor device of the present invention can be manufactured more easily.
以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。 Hereinafter, various embodiments of the subject of the present invention will be described in detail along with the effects and advantages thereof with reference to the accompanying drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態に於いては、本発明に係る半導体装置の一例として、ショットキーバリアダイオードの構造及びその製造方法について記載する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a structure of a Schottky barrier diode and a manufacturing method thereof will be described as an example of a semiconductor device according to the present invention.
ここで、図1は、本実施の形態に係る半導体装置を示す上面図である。又、図2は、上面図1の断線A1−A2に関する縦断面図である。以下では、本実施の形態に記載の半導体装置の各断面図は、当該半導体装置の上面図1の断線A1−A2に関する縦断面図を表しているものとする。尚、図1に於いては、図示の便宜上、図2に於いて示す絶縁膜7及び各JTE層5に対応して配設されている溝9の図示化は省略されている。
Here, FIG. 1 is a top view showing the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 2 is a longitudinal sectional view with respect to the broken line A1-A2 of the
図2に示すショットキーバリアダイオードの終端構造は、(1)n+型半導体基板1の上面上に成膜されたn-型半導体層(第1導電型の半導体層に該当)2と、(2)n-型半導体層2の主面2S上に形成された、ショットキー電極として機能する第1電極3と、(3)n-型半導体層2の主面2Sの内で第1電極3の端部3Eの直下に位置する部分及び端部3Eの周辺部の直下に位置する部分2SPからn-型半導体層2の内部に向けて、リング状に第1電極3を取り囲む様に形成された第1のp型(第2導電型に相当)半導体層から成るGR層4と、(4)GR層4から離間してGR層4の周囲を取り囲む様に、n-型半導体層2の主面2Sの内で端部3Eの上記周辺部よりも外側に位置する部分からn-型半導体層2の内部に向けてリング状に穿設された複数個の溝9と、(5)各溝9毎に、溝9の底部9B及び側面9Sの両部からn-型半導体層2の内部に向けて、GR層4を取り囲む様にリング状に形成された、第2のp型半導体層から成る複数個のJTE層5と、(6)GR層4の表面2SPと各JTE層5の表面とを覆う様に、第1電極3の端部3Eの上面上及び端部3Eよりも外側に位置するn-型半導体層2の主面2Sの部分上に設けられた絶縁膜7と、(7)n+型半導体基板1の裏面上に形成された、オーミック電極として機能する第2電極6とを有する。
The termination structure of the Schottky barrier diode shown in FIG. 2 includes (1) an n − type semiconductor layer (corresponding to a first conductivity type semiconductor layer) 2 formed on the upper surface of the n +
図1の上面図に示す様に、GR層4は第1電極3の端部3E(図2)の周囲をリング状に全体的に取り囲んでおり、GR層4と離間して形成されたリング状の複数のJTE層5の各々が、第1電極3及びGR層4を全体的に取り囲んでいる。尚、GR層4の形状はリング状に限定されるものではなく、例えば四角形の様な形状であっても良い。要は、GR層4が第1電極3の端部周囲を全体的に取り囲んでいれば良い。同様に、各溝9及びその直下の各JTE層5の形状も一例であるリング形状に限定されるものではなく、要は、各溝9及びその直下の各JTE層5が第1電極3及びGR層4を全体的に取り囲み得る形状を有していれば良い。これらの点は、後述する各変形例でも同等に成立つことである。
As shown in the top view of FIG. 1, the
GR層4は、その表面がn-型半導体層2の主面2S上に形成された第1電極3の端部3Eの裏面と接触することで、逆方向電圧の印可時に第1電極3の端部3E(特にそのコーナー部)に発生する電界集中を緩和するためのGRとして機能する。
The surface of the
各JTE層5は、対応する溝9の底部9B及び側面9Sの直下に形成されており、GR層4と離間してGR層4の周囲に於いてリング状に位置する様に配置されている。n-型半導体層2のGR層4よりも外側に位置する主面2Sには、複数個の溝9が形成され、それぞれの溝9にJTE層5が形成される。各JTE層5は、互いに離間して配置される。
図3は、本発明の本実施の形態の半導体装置における、各JTE層5の溝9の底部からn-型半導体層2の内部に向けて深さ方向の第2導電型不純物の濃度分布(不純物プロファイル)を示した図である。図3において、実線(A)で示したプロファイルが本実施の形態の半導体装置のJTE層5のプロファイルの一例であり、参考に示す点線(B)のプロファイルは、多段のイオン注入工程によって形成したボックス型プロファイルの一例である。ここで、溝9の底部直下の不純物濃度は、溝9の底部9Bと側面9S又は主面2Sにおける耐圧を確保する為に、両プロファイルで同じ値にしている。
Each
FIG. 3 shows the concentration distribution of the second conductivity type impurity in the depth direction from the bottom of the
JTE層5は、逆方向電圧の印可時にGR層4の端部(コーナー部)に於いて発生する電界集中を緩和するためのJTEとして機能する。従って、JTE層5を図2の様に複数個形成した方が、GR層4の端部に於ける電界緩和効果が高くなる。勿論、溝9及びその直下に位置するJTE層5の数が1つの場合に於いても、GR層4の端部に於ける電界緩和効果が得られるので、溝9及びその直下に位置するJTE層5の数が1つとなる様に設定しても良い。この点は、後述する各変形例においても妥当する。
The
本実施の形態の特徴点の一つは、溝9の側面9Sの直下に位置するn-型半導体層2の部分にもJTE層5が形成されている点にある。この特徴点を有する場合には、溝9の側面9Sの直下部分にJTE層を形成しない場合と対比して、複数のJTE層5の内で、GR層4と隣接して対向するJTE層5Aの縦断面での面積が増大するので、GR層4の端部に加わる電界分布を広げて均一化させることによって、GR層4の端部での電界集中をより一層緩和させ得る効果が得られる。しかも、全ての溝9に関して、各溝9の側面9Sの直下部分にも対応するJTE層5が形成されているので、各JTE層5のコーナー部5Eに於いて発生する電界集中も、隣接するJTE層5同士が互いに電界分布を広げることによって緩和させると言う効果も得られる。
One of the features of the present embodiment is that the
又、本実施の形態では、溝9の底部9Bの直下部分に形成されたJTE層5の部分の底部5Bの位置が、GR層4の底部4Bの位置よりも、主面2Sから見て深くなる様に、溝9の底部9Bの直下部分に形成されたJTE層5の部分の厚みが設定されている。この構造の採用によって、より深いJTE層5の底部5B及びその周辺部分がGR層4の周囲の電界をJTE層5の底部5B側に引きつけるため、GR層4の周囲の電界分布がn-型半導体層2の内部方向により一層偏ると言う結果が生じる。この結果、n-型半導体層2の主面2Sに於ける電界強度を減少させることが出来るという効果が得られる。
In the present embodiment, the position of the bottom portion 5B of the portion of the
図10に示す従来のJTE5Pの構造に於いては、逆方向電圧の印可時に発生した各JTE層5Pの端部(コーナー部)5PEに電界集中が発生し、その影響によりn-型半導体層2Pの主面と絶縁膜7Pとの界面8Pにも電界が生じる。
In the structure of the
これに対して、本実施の形態では、溝9の直下部分にJTE層5を形成しているので、JTE層5の端部の電界集中部(コーナー部)5Eとn-型半導体2の主面2Sとの間の距離が、図10の場合と比較して、長く設定されている。この特徴的な構造では、逆方向電圧の印可時にn-型半導体層2の主面2Sに加わる電界強度を、図10の場合よりも小さくすることが出来る。この結果、n-型層2の主面2Sと絶縁膜7との界面8に、欠陥、界面準位、及び、絶縁膜7を介して界面8に浸入する微量な不純物が存在していても、n-型半導体層2の主面2Sに於ける電界強度が十分に小さいため、上記欠陥等が漏れ電流の発生源及び降伏点とはなり得ない。このため、耐圧劣化を抑制した理想耐圧を有する半導体装置を実現することが出来る。
In contrast, in the present embodiment, since the
又、本実施の形態では、溝9を設けたことにより、溝9の底部9B上の絶縁膜7の厚さ10は、溝9が形成されてはいないn-型半導体層2の主面2S上の絶縁膜7の厚さ11よりも、厚く設定されている。この構造により、JTE層5が形成された溝9の底部9Bから絶縁膜7の表面7Sまでの距離を、n-型半導体層2の主面2Sから絶縁膜7の表面7Sまでの距離よりも長く設定することが出来る。このため、絶縁膜7を介して外部より侵入する不純物が溝9の底部9B直下に位置するJTE層5まで到達しにくくなり、JTE層5と絶縁膜7との界面8Jは外部からの不純物によって汚染されにくくなる。その結果、長期間の使用においても耐圧の劣化が少ない、信頼性の高い半導体装置を提供することが出来る。
In the present embodiment, since the
又、本実施の形態の効果を言い換えると、n-型半導体層2の主面2Sに存在する表面電荷により生じるJTE層5の端部のコーナー部5Eに於ける電界強度を小さくすることが出来る。
In other words, the effect of the present embodiment can reduce the electric field strength at the
半導体装置の理想耐圧でブレークダウンが発生した後に耐圧が大幅に劣化する、所謂ターンオーバー現象は、ブレークダウンによりn-型半導体層2の主面2Sの帯電状態に変化が生じて、p型半導体層であるGR4又はJTE層5の電界強度分布が変化することに起因して発生する。しかし、本実施の形態では、n-型半導体層2の主面2Sの帯電状態が変化しても、n-型半導体層2の主面2SとJTE層5の底部5Bが図9の場合と比較してより離れているために、JTE層5の端部の電界強度分布の変動を抑制することが出来る。そのため、本実施の形態では、ブレークダウンが発生しても、ターンオーバー現象が発生せずに、繰り返し使用可能な信頼性の高い半導体装置を提供することが出来る。
The so-called turnover phenomenon, in which the breakdown voltage significantly deteriorates after breakdown occurs at the ideal breakdown voltage of the semiconductor device, changes in the charged state of the main surface 2S of the n −
ここで、JTE層5が形成されている溝9の深さTが深くなるにつれて、GR層4及びJTE層5の端部で発生する電界集中部の影響によるn-型半導体層2の主面2Sに於ける電界強度が低減する。しかし、溝9の深さTが深くなりすぎると、JTE層5はGR層4の電界集中を緩和させるという本来の効果が薄れてくる。そのため、電界緩和効果が顕著に表れる溝部9の深さTは、概ね、GR層4の厚さの1/3以上から2倍以内の範囲内にあることが望ましい。
Here, as the depth T of the
次に、図2に示した半導体装置の製造方法について、製造工程中の半導体装置の断面図を示す図4を用いて、記載する。尚、ここでは、n+型半導基板1として4H−SiC(炭化珪素)を用いたショットキーバリアダイオードの製造方法について記載する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. 4 showing a cross-sectional view of the semiconductor device during the manufacturing process. Here, a method for manufacturing a Schottky barrier diode using 4H—SiC (silicon carbide) as the n +
先ず、第1工程では、n+型半導体基板1上にn-型半導体層2が形成された基板を準備する(図4(a)参照)。例えば、n+型半導体基板1は、その抵抗率が0.02Ω・cmの4H−SiC(炭化珪素)基板である。n-型半導体層2には、n型不純物の不純物濃度が5×1015cm-3で且つ厚さを10μmに設定したものが採用される。n-型半導体層2の不純物濃度と厚さとは、半導体装置の設計耐圧によって異なる。
First, in the first step, a substrate having an n −
次の第2工程では、n-型半導体層2の主面2S上に形成したマスク12をパターンニングして、マスク12にリング状の開口部を形成した後、ドライエッチングを行い、上記開口部に対応したリング状の複数個の溝9を形成する(図4(b)参照)。例えば、溝9の深さは0.3μmである。
In the next second step, the
次の第3工程では、マスク12を除去した上で、新たなマスク13をパターンニングして、n-型半導体層2の主面上に形成したリング状の溝9の開口部を形成した後に、図3に示した不純物プロファイルになるように、p型の不純物をイオン注入する。次に、注入部の表面近傍をエッチングすることによって、各溝9の底部9B及び側面9Sの直下部分に、対応する複数個のJTE層5を形成する(図4(c)参照)。
In the next third step, after the
ここで、第3工程のイオン注入とその後のエッチングについて詳しく説明する。イオン注入としては、例えば、加速電圧を350keVでp型の不純物のアルミニウムを加速電圧を一通り(1段)でイオン注入する。このようなイオン注入条件により、図3に示したような、注入された溝9の底部9B直下からn-型半導体層2の内部に向かって徐々に不純物濃度が増加し、溝の底部直下から0.35μmの位置に不純物濃度が最大値1×1018cm-3となる注入不純物プロファイルが形成される。又、イオン注入後のエッチングとしては、注入領域の表面からn-型半導体層内部に向かって0.1μmの領域をエッチングによって除去する。
Here, the ion implantation in the third step and the subsequent etching will be described in detail. As ion implantation, for example, ion implantation of p-type impurity aluminum is performed with an acceleration voltage of 350 keV and a single acceleration voltage (one step). Under such ion implantation conditions, as shown in FIG. 3, the impurity concentration gradually increases from directly below the
このエッチングは、溝9の底部9B直下の不純物濃度と最大不純物濃度を独立に調整する目的で行う。例えば、1段のイオン注入では、注入領域表面(つまり溝9の底部9B直下)の不純物濃度と最大不純物濃度を独立に調整することはできないが、1段のイオン注入後に所望の深さのエッチングを行うことにより、溝9の底部9B直下の不純物濃度と最大不純物濃度とを共に所望の範囲にすることができる。
本実施の形態においては、このような方法により、イオン注入の後のエッチング後に、溝9の底部9B直下の不純物濃度が2×1017cm-3になり、溝9の底部9B直下からn-型半導体層2の内部に向かって徐々に不純物濃度が増加し、溝9の底部9B直下から深さ0.25μmの位置に不純物濃度が最大値1×1018cm-3となる注入不純物プロファイルを有するJTE層5を形成できる。
This etching is performed for the purpose of independently adjusting the impurity concentration immediately below the
In the present embodiment, by such a method, the impurity concentration immediately below the bottom 9B of the
次の第4工程では、マスク13を除去した上で、新たなマスク14をパターンニングして、JTE層5と離間した位置にリング状の開口部を形成した後に、p型不純物をイオン注入して、n-型半導体層2の主面2Sよりn-型半導体層2の内部に向けて、リング状のGR層4を形成する(図4(d)参照)。例えば、ドーズ量を1.25×1013cm-2とし、加速電圧を10〜700keVの多段階に分けて、p型の不純物として、アルミニウムを注入した。厚さ0.8μmで且つ濃度5×1017cm-3のボックス型のプロファイルを有するGR層4が形成され、GR層4の不純物濃度はJTE層5の不純物濃度よりも高くなっている。
In the next fourth step, the
次の第5工程では、マスク14を除去した後に、GR層4及びJTE層5に注入した不純物に対する活性化アニールを行う。例えば、活性化アニールは、1700℃の温度の下で10分間実施された。工程図は図示せず。
In the next fifth step, after removing the
次の第6工程では、n+型半導体基板1の裏面上に、オーミック電極として機能する、ニッケルから成る第2電極6を形成し、その後に、n-型半導体層2の主面2SとGR層4の一部上に、ショットキー電極として機能する、チタン又はニッケルから成る第1電極3を形成する(図4(e)参照)。第1電極3の外周部の端部3Eは、GR層4と接触している。
In the next sixth step, a
次の第7工程では、第1電極3の外周部の端部3E上、GR層4の表面上、JTE層5の表面上、及びに、n-型半導体層2の主面2S上に、絶縁膜7を形成する(図4(f)参照)。
In the next seventh step, on the
以上の工程により、図2に示した半導体装置が完成される。 Through the above steps, the semiconductor device shown in FIG. 2 is completed.
JTE層5の個数が多い程に、耐圧劣化の抑制効果がある。実施例では、JTE層5の個数は、3個〜4個であるのが、効果的で且つ十分であった。蓋し、JTE層5の個数をそれ以上に増加させてみても、実際の効果は、JTE層5の個数が3個〜4個である場合のそれと殆ど変わらなかった。 The greater the number of JTE layers 5, the more effective the suppression of breakdown voltage degradation. In the example, it was effective and sufficient that the number of the JTE layers 5 was 3 to 4. Even if the number of the JTE layers 5 was further increased, the actual effect was almost the same as that when the number of the JTE layers 5 was 3 to 4.
又、例えば、各JTE層5の幅W5は5μm、JTE層5の端から次のJTE層5の端までの間隔は3μmとした。又、GR層4の幅W4は10μm、GR層4の端と次に隣接するJTE層5Aの端までの間隔dは2μmとした。
Further, for example, the width W5 of each
本実施の形態の半導体装置では、GR層4及びJTE層5のp型半導体層は共にp型の不純物を含み、一例として、GR層4の不純物濃度はJTE層5の不純物濃度よりも大きく設定されているが、GR層4とJTE層5との不純物濃度は同程度であっても良い。
In the semiconductor device of this embodiment, the p-type semiconductor layers of the
尚、本発明の本実施の形態のJTE層5の深さ方向の不純物濃度分布を深さが深くなるほど不純物濃度が増加する分布としないで、ボックス型のプロファイルを有するJTE層5を形成して同じ耐圧を得るには、加速電圧の段数(加速電圧の種類)を増やし、かつJTE層の厚さを厚くする必要がある。例えば、加速電圧を40〜700keVの多段階に分けて、溝9の底部9Bの直下部分のJTE層5の厚さが0.7μmで不純物濃度がおおよそ2×1017cm-3とするボックス型のプロファイルの場合と比較すると、本発明のプロファイルによれば、最大加速電圧が半分に低減している。この為、溝9の底部9B直下から最大不純物濃度までの深さはボックス型プロファイルにおけるJTE層の厚さの半分以下と薄くなっている。
Note that the
又、ボックス型プロファイルの場合には、多段の加速電圧が必要で加速電圧の切り替えに時間がかかり、又高加速電圧条件での不純物注入が必要であることから注入時間が長くなるという問題がある。
これに対して、本発明の本実施の形態のJTE層5の深さ方向の不純物注入プロファイルではボックス型プロファイルに比べて、最大加速電圧が700keVから350keVに低減していること、加速電圧の段数が6段から1段に減少していることから、注入時間が短縮でき注入プロセスのスループットが向上するという効果が得られる。
In the case of a box-type profile, there are problems that a multi-stage acceleration voltage is required and it takes a long time to switch the acceleration voltage, and that the implantation time is long because impurity implantation is required under high acceleration voltage conditions. .
In contrast, in the impurity implantation profile in the depth direction of the
又、JTE層端部5Eの耐圧が確保できる範囲内であれば、溝9の底部9B直下の不純物濃度はボックス型プロファイルの不純物濃度より大きくしても良いし、小さくしても良い。このような制御は、第3工程のエッチング量を制御することで行うことができる。又、JTE層5の不純物プロファイルは溝の底部9B直下の不純物濃度よりも高い不純物濃度をn-型半導体層2の内部に持っていれば良い。
Further, the impurity concentration just below the
又、溝9の底部9Bと側面又は主面2Sに生じる電界強度の調整の為、JTE層5内の不純物プロファイルの一部の濃度勾配をさらに緩やかにしたり、最大不純物濃度よりも不純物濃度の低い第2の不純物濃度のピークを設けたりしても良い。
さらに、不純物注入の加速電圧は1段である必要はなく、複数段であっても良い。エッチングの他に、加速電圧の段数を増やすことによっても不純物プロファイルの調整が可能となる。特に、最大不純物濃度を形成する加速電圧よりも低い加速電圧である第2の加速電圧と組み合わせて2段の注入を行うことで、イオン注入後のエッチングを行うことなくJTE層5表面近傍の不純物濃度勾配を緩やかにすることが可能となり、JTE層5表面の電界強度をさらに低減することができる。又、イオン注入後のエッチングを行なったJTE層5表面付近の不純物濃度がエッチングばらつきにより変動しないように、エッチング後のJTE層5表面となる深さ付近の不純物濃度を深さ方向に均一にするための2段の注入を行ってもよい。
Further, in order to adjust the electric field intensity generated at the bottom 9B and the side surface or main surface 2S of the
Further, the acceleration voltage for impurity implantation does not have to be one stage, and may be a plurality of stages. In addition to etching, the impurity profile can be adjusted by increasing the number of stages of acceleration voltage. In particular, by performing two-stage implantation in combination with a second acceleration voltage that is lower than the acceleration voltage for forming the maximum impurity concentration, impurities near the surface of the
尚、本発明の本実施の形態のJTE層5内の最大不純物濃度は、同じ耐圧を有するボックス型プロファイルの不純物濃度よりも高ければよいが、JTE層5内の最大不純物濃度が高すぎる場合には、JTE層端部5Eに電界集中が生じ、耐圧が低下する恐れがある。その為、JTE層5内の最大不純物濃度は、同じ耐圧を有するボックス型プロファイルの不純物濃度に対して、その2倍から6倍が望ましい。本実施の形態のJTE層5では、図3に示したように、最大不純物濃度は1×1018cm-3、参考に示したボックス型プロファイルの不純物濃度の2×1017cm-3の5倍程度となっている。
It should be noted that the maximum impurity concentration in the
又、本発明の本実施の形態のJTE層5内の不純物の深さ方向の分布は、全体としては所定の深さまで深さが深くなるほど不純物濃度が増加する分布であるが、図3に示したように、その最深部に至るまで不純物濃度が単調に増加し続けるものではなく、JTE層5の最深部おいては、その境界に向けて不純物濃度が深さ方向に減少する箇所があることは言うまでもない。
In addition, the distribution of impurities in the depth direction in the
(変形例1)
図5は、実施の形態1(図2)の変形例1に係る半導体装置の構成を示す縦断面図である。図5に示す半導体装置が図2に示す半導体装置と相違する唯一の点は、各溝9の側面9Sの直下部にはJTE層が形成されてはおらず、各溝9の底部9Bのみからn-型半導体層2内へ向けてJTE層5が形成されているにすぎない点にある。その他の構造は図2に示す対応する構造と同様であり、その他の符号の詳しい説明を省略する。
(Modification 1)
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to
本変形例に於いても、実施の形態1と同様に、各JTE層5の電界集中部(コーナー部)から、溝9が形成されてはいないn-型半導体層2の表面2Sまでの距離が、図10の従来例の構造のそれよりも大きくなることから、n-型半導体層2の表面2Sでの電界強度を図10の従来例よりも低減化することが出来る。
Also in the present modification, as in the first embodiment, the distance from the electric field concentration portion (corner portion) of each
(変形例2)
図6は、実施の形態1(図2)の変形例2に係る半導体装置の構成を示す縦断面図である。図6に示す半導体装置が図2に示す半導体装置と相違する唯一の点は、複数の溝9の内でGR層4から最も遠方ないしは外側に位置する溝9Pの底部の、n-型半導体層2の表面2Sからの深さTPが、その他の溝9a,9b,9cの底部の深さTと比較して、最も深いという点にある(TP>T)。尚、その他の構造は、図2の半導体装置の対応する構造と同一であり、従って、実施の形態1で生ずる既述した効果は本変形例に於いても同様に得られる。
(Modification 2)
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to
各JTE層5に於いて、対応する溝9の底部から各JTE層の底部5B,5BPまでの厚みは、実施の形態1と同様に、同一に設定されているので、本変形例の構造により、最も遠方の溝9Pの底部及び側面の直下部に形成されたJTE層5Pの底部5BPは、RG層4の底部4B及びその他のJTE層5の底部5Bの何れよりも、最も深い場所に位置している。従って、JTE層5Pに於いては、その他のJTE層5と比較して、同層5Pの電界集中部(コーナー部)はn-型半導体層2の表面2Sから最も離されることとなり、外部からの不純物の影響を最も受け易い最外周部の溝9Pの近傍のn-型半導体層2の表面2Sに於ける電界強度が、実施の形態1の場合よりも、更に低減化され得る。
In each
尚、本変形例の更なる変形例として、その直下部にJTE層5が形成される溝9の底部の深さが、GR層4に近い位置にある溝9よりもより遠い位置にある溝9になる程に、深くなる様に、各溝9a,9b,9c,9Pの底部の深さを設定してもよい。即ち、図6に示された各溝9a,9b,9c,9Pの底部の深さは、(溝9aの底部の深さ)<(溝9bの底部の深さ)<(溝9cの底部の深さ)<(溝9Pの底部の深さ)の関係が満たされる様に、修正される。この様な更なる変形例に於いては、各JTE層5の電界集中部(コーナー部)は、当該JTE層5がGR層4よりも遠方に位置する程に、n-型半導体層2の表面2Sからより離されることとなり、その結果、n-型半導体層2の表面2Sに於ける電界強度は、当該表面2Sの位置がGR層4の表面2SPから離れる程に、小さくなっていくと言う効果が得られる。尚、製造方法に関しては、より底部の深さが深い溝9は、既述した第2工程を更に繰り返すことで形成され得る。
As a further modification of this modification, the depth of the bottom of the
(変形例3)
図7は、実施の形態1(図2)の変形例3に係る半導体装置の構成を示す縦断面図である。図7に示す半導体装置が図2に示す半導体装置と相違する唯一の点は、全ての溝9の各々が一つのJTE層5と接続される様に、一つのJTE層5が形成されている点にある。即ち、図7の構造では、隣り合う溝9間に位置するn-型半導体層2の表面2SAからも、n-型半導体層2の内部に向けて、JTE層5の一部分が形成され、その様なJTE層5の一部分が、両隣の各々の溝9の底部及び側面の直下部から形成されたJTE層5の他部分と結合し合って、図7に示された一つのJTE層5が形成されている。その他の構造は、実施の形態1に於ける対応する構造と同様であり、従って、既述した実施の形態1の効果が同様に発揮され得る。
(Modification 3)
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to
本変形例によれば、特に、隣り合う溝9間のn-型半導体層2の表面2SA直下にも、p型半導体層であるJTE層5が形成されているので、JTE層5の静電容量を調整することが出来るという新たな効果が得られる。
According to the present modification, in particular, the
又、実施の形態1で記載したJTE構造を、実施の形態1のGR層4とは構造が異なるGR層構造を有する半導体装置に対しても適用可能であり、この様な変形例を以下に変形例4及び5として記載する。勿論、両変形例4及び5に於いても、実施の形態1で既述した効果は得られる。
The JTE structure described in the first embodiment can also be applied to a semiconductor device having a GR layer structure that is different from the
(変形例4)
図8は、実施の形態1(図2)の変形例4に係る半導体装置の構成を示す縦断面図である。図8に示す半導体装置が図2に示す半導体装置と相違する特徴点は、第1電極3Aの端部3AE及びその端部周辺部2SPAが、その直下領域にp型のGR層4Aが形成されたガードリング層用溝9a1内に配設されている点にある。この構造のために、絶縁膜7Aの一部は、溝9a1内にまで延設されて端部周辺部2SPAを全面的に被覆している。又、GR層4の不純物濃度プロファイルは、実施の形態1で詳しく説明したJTE層5と同じ不純物プロファイルとなっている。その他の構造は、実施の形態1の対応する構造と同一である。
(Modification 4)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to
上記のように、GR層4の不純物濃度プロファイルはボックス型のプロファイルでなくても良く、実施の形態1(図3)で詳しく説明したJTE層5と同様に、所定の深さまで深さが深くなるほど不純物濃度が増加する不純物プロファイルを用いることができる。この場合、第1電極3Aの端部3AEと接触しているGR層4の不純物濃度はGR層4内の最大不純物濃度(JTE層5の最大不純物濃度と同じである)よりも低く設定される。GR層4とJTE層5の不純物プロファイルを同じにする場合には、第1電極3Aの端部3AEに電界が集中しないように最大不純物濃度やJTE層間の間隔等を制御すればよい。
As described above, the impurity concentration profile of the
GR層4の不純物濃度プロファイルをJTE層5の不純物プロファイルを同じにすることにより、実施の形態1で説明した製造工程において、第2工程でJTE層5とGR層4に対応するリング状の溝を同時に形成した後に、第3工程でマスク13にJTE層5とGR層4に対応する開口領域を形成して不純物注入を行えばよい。このようにすることにより、GR層4だけにイオン注入する第4工程を必要としなくなる為、スループットが向上するという効果がある。
By making the impurity concentration profile of the
本変形例によれば、GR層4Aの電界集中部(コーナー部)とn-型半導体層2の表面2Sとの距離が図2の場合と比較して大きくなり、加えて、GR層4A直上の絶縁膜7Aの部分の厚さも厚くすることが可能であることから、GR層4A周囲のn-型半導体層2の表面2Sの電界強度を低減化することが出来ると共に、GR層4A周囲のn-型半導体層2の表面2Sに於ける準位及び欠陥による耐圧劣化を抑制することも出来る。
According to this modification, the distance between the electric field concentration portion (corner portion) of the
(変形例5)
図8は、実施の形態1(図2)の変形例5に係る半導体装置の構成を示す縦断面図である。図8に示す半導体装置が図2に示す半導体装置と唯一相違する点は、GR層4B内に、第1電極3の端部3Eと接触した、リング状に第1電極3を取り囲む第3のp型半導体層(第2GR層に該当)15を配置している点にある。第3のp型半導体層15の不純物濃度は、GR層4Bの不純物濃度よりも高く設定されている。その他の構造は、図2に示す、対応する構造と同様である。第3のp型半導体層15は、第1電極3の端部3Eのコーナー部に於ける電界集中を緩和する機能を呈する。
(Modification 5)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to
(付記)
尚、本発明の主題に係る終端構造は、実施の形態1及びその各変形例に於いて示したショットキーダイオードの他に、パワーMOSFET等のその他のパワー半導体装置にも適用可能である。
(Appendix)
Note that the termination structure according to the subject of the present invention is applicable to other power semiconductor devices such as power MOSFETs in addition to the Schottky diodes shown in the first embodiment and the modifications thereof.
又、本発明に於ける不純物の導電型に関して、n型を第1導電型と定義した場合には、p型は第2導電型となり、逆に、p型を第1導電型と定義した場合には、n型が第2導電型となる。 Further, regarding the impurity conductivity type in the present invention, when n-type is defined as the first conductivity type, p-type is defined as the second conductivity type, and conversely, p-type is defined as the first conductivity type. The n-type becomes the second conductivity type.
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。 While the embodiments of the present invention have been disclosed and described in detail above, the above description exemplifies aspects to which the present invention can be applied, and the present invention is not limited thereto. In other words, various modifications and variations to the described aspects can be considered without departing from the scope of the present invention.
1 n+型半導体基板、2 n-型半導体層、3 第1電極、4 GR層、5 JTE層、6 第2電極、7 絶縁膜、8 n-型半導体層と絶縁膜との界面、9 溝。 1 n + type semiconductor substrate, 2 n − type semiconductor layer, 3 first electrode, 4 GR layer, 5 JTE layer, 6 second electrode, 7 insulating film, 8 n − type semiconductor layer and insulating film interface, 9 groove.
Claims (9)
前記半導体層の主面上に形成された電極と、
前記半導体層の前記主面の内で前記電極の端部及び前記端部の周辺部の直下に位置する部分から前記半導体層の内部に向けて形成され、且つ、前記電極を取り囲む様に形成された第2導電型のガードリング層と、
前記ガードリング層から離間して前記ガードリング層を取り囲む様に、前記半導体層の前記主面の内で前記端部周辺部よりも外側に位置する部分から前記半導体層の内部に向けて形成された、少なくとも一つから成る溝と、
前記少なくとも一つの溝の底部より前記半導体層の内部に向けて所定の深さまで深さが深くなるほど不純物濃度が増加し、かつ、前記ガードリング層を取り囲む様に形成された、少なくとも一つから成る前記第2導電型のJTE層と、
前記ガードリング層の表面及び前記少なくとも一つのJTE層の表面を被覆する様に、前記半導体層の前記主面上に形成された絶縁膜とを備えたことを特徴とする、
半導体装置。 A first conductivity type semiconductor layer;
An electrode formed on the main surface of the semiconductor layer;
The semiconductor layer is formed from the portion located immediately below the end portion of the electrode and the peripheral portion of the end portion toward the inside of the semiconductor layer in the main surface of the semiconductor layer, and so as to surround the electrode. A second conductivity type guard ring layer;
Formed from the portion of the main surface of the semiconductor layer located outside the peripheral portion of the end toward the inside of the semiconductor layer so as to surround the guard ring layer while being spaced apart from the guard ring layer. And at least one groove,
The impurity concentration increases as the depth increases from the bottom of the at least one groove toward the inside of the semiconductor layer to a predetermined depth, and the at least one groove is formed so as to surround the guard ring layer. A second conductivity type JTE layer;
An insulating film formed on the main surface of the semiconductor layer so as to cover the surface of the guard ring layer and the surface of the at least one JTE layer;
Semiconductor device.
前記半導体層の前記主面から見て、前記少なくとも一つのJTE層の底部の方が前記ガードリング層の底部よりも深いことを特徴とする、
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The bottom of the at least one JTE layer is deeper than the bottom of the guard ring layer when viewed from the main surface of the semiconductor layer,
Semiconductor device.
前記少なくとも一つのJTE層は、前記少なくとも一つの溝の側面からも前記半導体層の内部に向けて形成されていることを特徴とする、
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The at least one JTE layer is formed from the side surface of the at least one groove toward the inside of the semiconductor layer,
Semiconductor device.
前記絶縁膜の内で前記少なくとも一つの溝の前記底部上の部分の膜厚が、前記絶縁膜の内で前記少なくとも一つの溝が形成されてはいない前記主面の部分上の部分の膜厚よりも厚いことを特徴とする、
半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The film thickness of the portion on the bottom of the at least one groove in the insulating film is the film thickness of the portion on the main surface where the at least one groove is not formed in the insulating film. Characterized by being thicker than,
Semiconductor device.
前記少なくとも一つの溝は複数個あり、
各溝に対応して前記少なくとも一つのJTE層は複数個あり、
前記複数個の溝の内で前記ガードリング層から最も遠方に位置する溝の前記主面からの深さが最も深いことを特徴とする、
半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A plurality of the at least one groove;
There are a plurality of the at least one JTE layer corresponding to each groove,
Of the plurality of grooves, the depth of the groove located farthest from the guard ring layer from the main surface is the deepest,
Semiconductor device.
前記少なくとも一つの溝は複数個あり、
一つのJTE層が前記複数個の溝の各々と接続する様に形成されていることを特徴とする、
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3 or 4, wherein
A plurality of the at least one groove;
One JTE layer is formed to connect to each of the plurality of grooves,
Semiconductor device.
前記電極の前記端部及び前記端部周辺部は、その直下に前記ガードリング層が形成されたガードリング層用溝内に配設されていることを特徴とする、
半導体装置。 A semiconductor device according to claim 1,
The end portion of the electrode and the peripheral portion of the end portion are disposed in a groove for a guard ring layer in which the guard ring layer is formed immediately below.
Semiconductor device.
前記ガードリング層において、前記ガードリング層用溝の底部より前記半導体層の内部に向けて所定の深さまで深さが深くなるほど不純物濃度が増加することを特徴とする、
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
In the guard ring layer, the impurity concentration increases as the depth increases to a predetermined depth from the bottom of the groove for the guard ring layer toward the inside of the semiconductor layer,
Semiconductor device.
前記ガードリング層は、
前記半導体層の前記主面の内で前記電極の前記端部及び前記端部周辺部の直下に位置する部分から前記ガードリング層の内部に向けて前記電極を取り囲む様に形成され、且つ、前記ガードリング層の不純物濃度よりも高濃度の前記第2導電型の不純物を含む第2ガードリング層を備えることを特徴とする、
半導体装置。 A semiconductor device according to claim 1,
The guard ring layer is
The semiconductor layer is formed so as to surround the electrode from the portion located immediately below the end portion and the periphery of the end portion of the main surface of the semiconductor layer toward the inside of the guard ring layer, and It is characterized by comprising a second guard ring layer containing the second conductivity type impurity having a higher concentration than the impurity concentration of the guard ring layer.
Semiconductor device.
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