JP2013138171A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺領域がセル領域のチャージバランスマージンを狭めることを抑制し、耐圧歩留りを向上させることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】セル領域１では、スーパージャンクション構造を構成するＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５でのＮ型電荷量とＰ型電荷量が等しくされ、周辺領域２では、セル領域１の外周方向に向かうに連れて、スーパージャンクション構造でのＮ型電荷量が徐々にＰ型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域２７を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ドリフト層内にＮ型領域とＰ型領域が所定の配置された構造、例えばストライプ状に交互に繰り返し配置された構造（カラム）からなるスーパージャンクション構造（以下、ＳＪ構造という）を有し、基板表面と裏面との間において電流を流すように構成される縦型半導体素子が形成されたセル領域とこのセル領域の周囲の周辺領域とを備えた半導体装置に関するものである。

従来、特許文献１において、ドリフト層内にＮ型カラムとＰ型カラムがストライプ状に交互に繰り返し形成されたＳＪ構造を有する縦型半導体素子を備えた半導体装置が提案されている。この半導体装置は、縦型半導体素子が形成されたセル領域では、Ｐ型カラムとＮ型カラムの不純物濃度が等しくなるようにチャージバランスが保たれており、セル領域の周囲を囲む周辺領域では、Ｐ型カラムとＮ型カラムの不純物濃度に差が設けられた構造とされている。具体的には、Ｐ型カラムの不純物量とＮ型カラムの不純物量の差に関して、周辺領域の最外周に位置する組合せにおける差が周辺領域に位置する他の組合せにおける差より小さく、周辺領域の最内周に位置する組合せにおける差がセル領域に位置する組合せの差より大きくされている。このような構造とすることで、高耐圧な半導体装置を実現している。

特開２００６−０７３６１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される半導体装置では、周辺領域の最内周から最外周に向かう方向において、一旦、Ｐ型カラムの方がＮ型カラムよりも不純物濃度が高いＰリッチな状態になってから、更に外周に向かうとＮ型カラムの方がＰ型カラムよりも不純物濃度が高いＮリッチな状態となる。このようにＰリッチな領域が構成され、Ｐ電荷ＱｐがＮ電荷Ｑｎより大きくなってチャージアンバランス（＝Ｐ電荷Ｑｐ−Ｎ電荷Ｑｎ／Ｎ電荷Ｑｎ）がプラスになると、空乏層がドレイン側（基板底面側）に広がり、最外周側においてブレークダウンが起こる。このため、図１４に示すチャージアンバランスと耐圧の関係図から判るように、最外周側においてセル領域よりも耐圧が低くなり、周辺領域がセル領域のチャージバランスマージンを狭めてしまう。これにより、半導体装置の耐圧歩留りを低下させるという問題を発生させる。

本発明は上記点に鑑みて、周辺領域がセル領域のチャージバランスマージンを狭めることを抑制し、耐圧歩留りを向上させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、セル領域（１）では、ＳＪ構造を構成する第１導電型カラム領域（４）および第２導電型カラム領域（５）での第１導電型電荷量と第２導電型電荷量が等しくされ、周辺領域（２）では、セル領域（１）の外周方向に向かうに連れて、ＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）が備えられていることを特徴としている。

このように、チャージバランス変化領域（２７）を備えていることから、余剰濃度（余剰濃度＝（第２導電型電荷量−第１導電型電荷量）／カラムピッチ）は、セル領域（１）から外周方向に向かうに連れて減少していく。このため、等電位線の間隔がセル領域（１）内よりも周辺領域（２）の方が広くなり、電界集中が疎になる。したがって、周辺領域（２）においてセル領域（１）よりも耐圧が高くなるようにすることが可能となる。

これにより、周辺領域（２）の最外周側でもセル領域（１）よりも耐圧が低くならず、周辺領域（２）がセル領域（１）のチャージバランスマージンを狭めることもない。よって、周辺領域（２）がセル領域（１）のチャージバランスマージンを狭めることを抑制し、耐圧歩留りを向上させることが可能な半導体装置にできる。

請求項２に記載の発明では、第２導電型カラム領域（５）をカラム長手方向の先端部において徐々に幅が狭くされた先細り形状とし、第１導電型カラム領域（４）との境界面がカラム繰り返し方向に対して傾斜させられたテーパ面をもつことを特徴としている。

このように、周辺領域（２）においてセル領域（１）の外周方向に向かうに連れて第２導電型カラム領域（５）の幅をセル領域（１）よりも狭くされるようにすることで、カラム長手方向においてＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）を構成することができる。

請求項３に記載の発明では、ＳＪ構造は、セル領域（１）と周辺領域（２）の両方においてカラム繰り返し方向における第２導電型カラム領域（５）の寸法が等しく、第１導電型カラム領域（４）および第２導電型カラム領域（５）の繰り返し単位であるカラムピッチが、セル領域（１）では等しく、周辺領域（２）ではセル領域（１）の外周方向に向かうに連れてセル領域（１）よりも広くされていることを特徴としている。

このように、周辺領域（２）においてセル領域（１）の外周方向に向かうに連れてセル領域（１）よりも広くされるようにすることで、カラム繰り返し方向においてＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）を構成することができる。

請求項４に記載の発明では、ＳＪ構造は、周辺領域（２）においてセル領域（１）から外周方向に向かうに連れてカラム繰り返し方向における第２導電型カラム領域（５）の寸法が小さくされ、第１導電型カラム領域（４）および第２導電型カラム領域（５）の繰り返し単位であるカラムピッチが、セル領域（１）と周辺領域（２）とで一定とされていることを特徴としている。

このような構成としても、カラム繰り返し方向においてＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）を構成することができる。

請求項５に記載の発明では、第２導電型カラム領域（５）は、セル領域（１）から外周に向かうに連れて深さが浅くなっていることを特徴としている。

第２導電型カラム領域（５）の先端部では、等電位線が徐々に表面側で終端していくのが理想的な等電位分布となる。したがって、第２導電型カラム領域（５）の深さがセル領域（１）から外周に向かうに連れて徐々に浅くなるようにすることで、第２導電型カラム領域（５）の形状を理想的な等電位分布の形状に近づけることが可能となる。このため、より電界集中を緩和することが可能となり、更なる耐圧向上を図ることが可能となる。

請求項６に記載の発明では、第１導電型カラム領域（４）は、周辺領域（２）において、セル領域（１）から外周に向かうに連れて第１導電型不純物濃度が高くなっていることを特徴としている。

このような構成としても、カラム長手方向およびカラム繰り返し方向において、ＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）を構成することができる。

請求項７に記載の発明では、ＳＪ構造は、周辺領域（２）では、第２導電型カラム領域（５）がセル領域（１）の周囲を囲む多重枠状で構成され、周辺領域（２）において、多重枠状で構成された第２導電型カラム領域（５）の間隔がセル領域（１）の外周方向に向かうに連れて大きくされていることを特徴としている。

このような構成としても、カラム長手方向およびカラム繰り返し方向において、ＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）を構成することができる。

請求項８に記載の発明では、ＳＪ構造は、第１導電型カラム領域（４）に対して第２導電型カラム領域（５）がドット状に点在させられた構成とされ、第１導電型カラム領域（４）の形成されている割合がセル領域（１）よりも周辺領域（２）の方が小さく、当該割合がセル領域（１）の外周方向に向かうに連れて小さくされていることを特徴としている。

このような構成としても、カラム長手方向およびカラム繰り返し方向において、ＳＪ構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）を構成することができる。

請求項９に記載の発明では、ＳＪ構造は、深さ方向においても、第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされているチャージバランス変化構造を備えており、チャージバランス変化領域（２７）における外周方向へ向かう余剰濃度変化勾配をｄＮ／ｄｘ＝（Ｎ１−Ｎ２）／ｘ、チャージバランス変化構造における深さ方向の余剰濃度変化勾配をｄＮ／ｄｚ＝（Ｎ３−Ｎ４）／ｚとすると、ｄＮ／ｄｘ≦ｄＮ／ｄｚとなることを特徴としている。

このように、ｄＮ／ｄｘ≦ｄＮ／ｄｚとなるようにすることで、等電位線の間隔がセル領域（１）内よりも周辺領域（２）の方が広くなり、電界集中が疎になる。したがって、周辺領域（２）においてセル領域（１）よりも耐圧が高くなるようにすることが可能となる。

請求項１０に記載の発明では、周辺領域（２）の最外周での余剰濃度Ｎ２とセル領域（１）の最深位置での余剰濃度Ｎ４とが、Ｎ２＞Ｎ４の関係を満たしていることを特徴としている。
このようにＮ２＞Ｎ４となるようにすることで、周辺領域（２）においてセル領域（１）よりも耐圧が高くなるようにすることをさらに確実にすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２の周辺領域２の一部を拡大した平面図である。 （ａ）は、本実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ（ａ）のＢ−Ｂ断面図とＣ−Ｃ断面図である。 Ｐ型カラム領域５の寸法の一例を示した表面レイアウト図である。 電位分布および余剰濃度の分布を示した図である。 チャージアンバランスと耐圧の関係図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ（ａ）のＦ−Ｆ断面とＧ−Ｇ断面でのＮ型カラム領域４の不純物濃度分布を示した図である。 本発明の第４実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図である。 本発明の第５実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図である。 本発明の第６実施形態に係る半導体装置の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、共に、他の実施形態に係るスーパージャンクション構造のコーナー部近辺での余剰濃度分布を示した平面図である。 チャージアンバランスと耐圧の関係図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。この図に示されるように、半導体装置は、半導体素子が形成されたセル領域１と、周辺領域２とを備えている。四角形状のセル領域１を囲うように、セル領域１の外周に周辺領域２が設けられている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、セル領域１の外縁部を含んだ周辺領域２の断面を示したものである。図２に示されるように、セル領域１には多数のＭＯＳＦＥＴが形成されている。

まず、半導体装置は、Ｎ＋型のドレイン層３の上に、ドリフト領域としてＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５が形成されていると共に、これらＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５がドレイン層３の面方向と平行な一方向に繰り返し配置されたＳＪ構造が構成された半導体基板６を備えている。

また、ＳＪ構造の上にエピタキシャル成長により形成されたＰ型層７が設けられている。Ｐ型層７は、セル領域１と周辺領域２にわたって設けられている。一方、ドレイン層３においてＳＪ構造とは反対側にドレイン電極８が形成されている。

セル領域１においては、半導体素子９としてトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴが形成されている。ＭＯＳＦＥＴの構造については一般的だが、簡単に説明すると、Ｐ型層７に形成されたＮ＋型ソース領域およびＰ型チャネル層を貫通してＮ型カラム領域４に達するトレンチ１０が形成され、このトレンチ１０の内壁表面にゲート絶縁膜とゲート層とが順に形成され、これらトレンチ１０、ゲート絶縁膜、およびゲート層からなるトレンチゲート構造が構成されている。Ｐ型チャネル層にはＰ型ボディ領域も形成されている。なお、このＭＯＳＦＥＴの構造は一例であり、他の構造でも良い。

トレンチ１０は、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５とが接する面の面方向と、トレンチ１０が延設された延設方向とが平行になるように設けられている。さらに、１つのＮ型カラム領域４と当該Ｎ型カラム領域４に隣接する１つのＰ型カラム領域５とを一組のカラム構造と定義すると、トレンチゲート構造は一組のカラム構造毎に設けられている。

また、ゲート層上には、当該ゲート層を覆うと共にＰ型チャネル層が露出するコンタクトホールが設けられた層間絶縁膜１１が形成されている。層間絶縁膜１１は例えばＬＯＣＯＳ酸化膜によって構成されている。そして、ソース電極１２がこの層間絶縁膜１１を覆うように形成され、層間絶縁膜１１のコンタクトホールを介してＰ型チャネル層に接触させられている。

一方、周辺領域２では、Ｐ型層７の上に層間絶縁膜１１が形成されている。この層間絶縁膜１１の厚みは例えば８００ｎｍとされている。層間絶縁膜１１の上には絶縁層１３が形成され、この絶縁層１３の上に例えば４００ｎｍの厚さのポリシリコン層１４が形成されている。絶縁層１３は例えばＢＰＳＧによって構成されている。このポリシリコン層１４は配線としてパターニングされており、セル領域１側からゲート配線１５とフィールドプレート１６とが順にレイアウトされている。

ゲート配線１５はゲート層と電気的に接続されており、ゲート配線１５の上にはゲート電極１７が形成されている。フィールドプレート１６の上にはソース電極１２と電気的に接続された中継電極１８が形成されている。

ポリシリコン層１４のうちフィールドプレート１６よりも外側には、複数のガードリング１９がセル領域１とは反対側に向かって等間隔でレイアウトされている。ガードリング１９は、例えば導電領域としてセル領域１を囲うように多段に連ねられて並べられている。なお、ガードリング１９として、例えばＮ型の導電領域、Ｐ型の導電領域、または金属等を採用しても良い。

さらに、ポリシリコン層１４のうち最も外側に最外周リング２０がレイアウトされ、この最外周リング２０の上に最外周電極（ＥＱＲ）２１が形成されている。最外周リング２０は、複数のガードリング１９のうち最も最外周電極２１側のガードリング１９と電気的に接続されている。

この最外周電極２１は半導体装置の外縁部側すなわち周辺領域２の最外縁部に位置している。そして、最外周電極２１は、Ｐ型層７と同じ層に設けられたＮ＋型領域２２を介してドリフト層の周囲に位置するＮ型のエピタキシャル領域に電気的に接続されている。

ゲート配線１５、フィールドプレート１６、複数のガードリング１９、および最外周リング２０は絶縁層１３に覆われていると共に、ゲート配線１５、フィールドプレート１６、および最外周リング２０の一部が絶縁層１３から露出している。絶縁層１３のトータルの厚みは例えば８００ｎｍとされている。ゲート電極１７や中継電極１８は、絶縁層１３の開口部を介してゲート配線１５やフィールドプレート１６に接続されている。

また、最外周電極２１は、半導体基板６の厚み方向においてＳＪ構造と重なるように設けられている。これにより、ＳＪ構造の電位分布の広がりが最外周電極２１によって抑えられる。

上記のように周辺領域２においてポリシリコン層１４がレイアウトされた領域のうち、複数のガードリング１９がレイアウトされた領域が電位分割領域２３とされている。すなわち、電位分割領域２３は、Ｐ型層７の上方（絶縁層１３側）における領域であり、ソース電極１２（中継電極１８）と最外周電極２１とを電気的に接続すると共にソース電極１２（中継電極１８）と最外周電極２１との間の電圧を複数段に分割する領域である。なお、周辺領域２の長さが例えば２５０μｍであり、電位分割領域２３の長さは例えば１００μｍである。

電圧を複数段に分割するために、各ガードリング１９は所望の耐圧を確保したツェナーダイオード２４によってそれぞれ接続されている。本実施形態では、ツェナーダイオード２４は、半導体装置の外径方向に素子電位が分配されるように設けられている。１つのガードリング１９と隣接するガードリング１９とを繋ぐ１段のツェナーダイオード２４の耐圧は例えば３０Ｖである。このようなツェナーダイオード２４を用いて、例えば６００Ｖの電圧を分割する。

また、複数のガードリング１９は電位分割領域２３においてソース電極１２（中継電極１８）側から最外周電極２１側に向かって等間隔で配置されている。このため、電位分割領域２３は、ソース電極１２（中継電極１８）側から最外周電極２１側に向かって、等間隔でソース電極１２（中継電極１８）と最外周電極２１との間の電圧を複数段に分割する。これにより、電位分割領域２３においてソース電極１２（中継電極１８）側から最外周電極２１側に向かって等間隔で電位を固定できるので、耐圧低下に対する電荷量のばらつきのマージン（チャージバランスマージン）を広く確保することができる。

なお、ガードリング１９を等間隔で配置するレイアウトは一例であり、電位分割領域２３において半導体基板６に発生する電位分布を等間隔に固定できれば、ガードリング１９は等間隔に配置されていなくても良い。

図３は、図２の周辺領域２の一部を拡大した平面図であり、特にガードリング１９とツェナーダイオード２４を示した平面図である。この図に示されるように、ツェナーダイオード２４は、一方のガードリング１９と他方のガードリング１９との間に、ガードリング１９の延設方向に沿って交互に並べられたＮ型領域２５とＰ型領域２６とで構成されている。これらＮ型領域２５およびＰ型領域２６はポリシリコンに対するイオン注入によって形成されている。このように、ツェナーダイオード２４が直列に並べられていることで、各ガードリング１９の各段の電位が分割されている。

続いて、半導体基板６のＳＪ構造のチャージバランスについて説明する。図４（ａ）は、本実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図であり、図４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図とＣ−Ｃ断面図である。

図４（ａ）に示すように、本実施形態では、ＳＪ構造を構成するＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５は、紙面左右方向を長手方向（以下、カラム長手方向という）として、セル領域１と周辺領域２の全体にわたってカラム長手方向に対する垂直方向に繰り返し交互に配置されている（以下、カラム長手方向に対する垂直方向をカラム繰り返し方向という）。

セル領域１では、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５は、Ｐ型カラム領域５の電荷量とＮ型カラム領域４の電荷量の比が１：１の比率とされている。Ｎ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５の深さ（カラム深さ）は例えば４５μｍとされ、ＰＮカラムの繰り返し単位となるカラムピッチは６．０μｍとされている。

また、図４（ｃ）に示すように、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との境界面は、深さ方向において傾斜させられたテーパ面とされ、Ｐ型カラム領域５の幅が深くなるほど狭くなる先細り形状となっている。このテーパ面とされた境界面のうちカラム繰り返し方向に沿った切断面を通る境界線とカラム繰り返し方向との成す角度（以下、第１テーパ角という）は例えば８９．６°に設定してある。

そして、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との不純物濃度が等しくされることで隣り合うＰＮカラムの全体としてのＰ型電荷量およびＮ型電荷量が一致させられており、ＰＮカラムのチャージバランス条件が一致させられている。例えば、Ｎ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５の不純物濃度はそれぞれ８．０×１０^１５ｃｍ^−３とされている。

なお、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との境界面をテーパ面としていることから、深さ方向においてＰ型カラム領域５によるＰ型電荷量よりもＮ型カラム領域４によるＮ型電荷量が徐々に多くなるチャージバランス変化構造となる。ただし、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５の全深さ全体としてのＰ型電荷量およびＮ型電荷量は一致させられている。このため、セル領域１では、ＰＮカラム全体でのチャージバランス条件が一致させられつつ、深さ方向においては徐々にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも多くなるチャージバランス変化構造となる。

一方、周辺領域２では、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との電荷量のバランスがセル領域１から外周方向に向かって連続的に変化する領域が設けられている。この領域は、Ｐ型層７の下方（ドレイン層３側）に設けられており、チャージバランスを変化させたチャージバランス変化領域２７となっている。なお、最外周電極２１は、このチャージバランス変化領域２７の周囲に位置している。

チャージバランス変化領域２７では、カラム長手方向とカラム繰り返し方向とで、異なる構造によって、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との電荷量のバランスをセル領域１から外周方向に向かって連続的に変化させている。具体的には、Ｐ型カラム領域５の体積に対するＮ型カラム領域４の体積の比が大きくなるようにすることで、周辺領域２をＮ型電荷量が支配的となるＮリッチ領域としつつ、セル領域１から外周方向に向かって連続的にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも大きくなるように変化させている。

カラム長手方向においては、図４（ａ）に示すように基板水平面上におけるＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５の境界線がカラム繰り返し方向に対して傾斜させられたテーパ状とされ、Ｐ型カラム領域５の幅が徐々に狭くなる先細り形状となっている。この境界線とカラム繰り返し方向との成す角度（以下、第２テーパ角という）は例えば８９．８°に設定してある。この第２テーパ角は、第１テーパ角よりも大きく（第２テーパ角＞第１テーパ角）されている。このように、第２テーパ角の方が第１テーパ角よりも大きくなるようにすることで、等電位線の間隔がセル領域１内よりも周辺領域２の方が広くなり、電界集中が疎になる。したがって、周辺領域２においてセル領域１よりも耐圧が高くなるようにすることが可能となる。

図５は、Ｐ型カラム領域５の寸法の一例を示した表面レイアウト図である。この図に示すように、Ｐ型カラム領域５は、セル領域１に位置する幅が一定とされた部分はカラム長手方向の寸法が６０００μｍでカラム繰り返し方向の寸法が３．３μｍ、幅が徐々に狭められていく部分はカラム長手方向の寸法が１００μｍでカラム繰り返し方向の寸法が２．６μｍとされている。このように、カラム長手方向においては、Ｐ型カラム領域５の幅を変化させることでＮ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との電荷量のバランスをセル領域１から外周方向に向かって連続的に変化させている。

なお、Ｐ型カラム領域５の深さについては、セル領域１と周辺領域２とで等しくされていても良いが、図４（ｂ）に示すように、本実施形態ではセル領域１から外周に向かうに連れて徐々に深さが浅くなっている。Ｐ型カラム領域５は、Ｎ型カラム領域４に対してトレンチを形成したのち、それにＰ型層を埋め込むことで構成していることから、Ｐ型カラム領域５の幅が狭くなることマイクロローディング効果が生じ、幅が狭くなるほど深さが浅くなっている。

また、カラム繰り返し方向においては、Ｐ型カラム領域５の寸法についてはセル領域１から変化させないようにしつつ、カラムピッチをセル領域１から外周方向に向かうに連れてセル領域１のカラムピッチよりも広くなるようにしている。このように、カラムピッチが徐々に広くなるようにすることで、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との電荷量のバランスをセル領域１から外周方向に向かって連続的に変化させている。

そして、本実施形態では、電位分割領域２３は、半導体基板６の厚み方向においてチャージバランス変化領域２７と重なるように配置されている。

このような構造により、本実施形態にかかる半導体装置が構成されている。このような構成の半導体装置では、電位分布および余剰濃度（余剰濃度＝（Ｐ型電荷量−Ｎ型電荷量）／カラムピッチ）の分布が図６のようになる。つまり、図６（ｃ）および図６（ｄ）に示すようにチャージバランス変化領域２７を設けていることから、図６（ａ）、（ｂ）中のＤ−Ｄ断面やＥ−Ｅ断面における余剰濃度は、セル領域１から外周方向に向かうに連れて減少し、深さ方向が深くなるほど減少していく。このため、図６（ａ）、（ｂ）に示すように電位分布は、図中破線で示した等電位線の間隔がセル領域１内よりも周辺領域２の方が広くなり、電界集中が疎になる。したがって、周辺領域２においてセル領域１よりも耐圧が高くなるようにすることが可能となる。

このため、図７に示すチャージアンバランスと耐圧の関係図から判るように、周辺領域２の最外周側でもセル領域１よりも耐圧が低くならず、周辺領域２がセル領域１のチャージバランスマージンを狭めることもない。よって、周辺領域２がセル領域１のチャージバランスマージンを狭めることを抑制し、耐圧歩留りを向上させることが可能な半導体装置にできる。

さらに、Ｐ型カラム領域５の先端部では、図４（ｂ）中に示したように等電位線が徐々に表面側で終端していくのが理想的な等電位分布となる。これに対して、本実施形態では、Ｐ型カラム領域５の深さがセル領域１から外周に向かうに連れて徐々に浅くなっていることから、Ｐ型カラム領域５の形状を理想的な等電位分布の形状に近づけることが可能となる。このため、より電界集中を緩和することが可能となり、更なる耐圧向上を図ることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してカラム繰り返し方向におけるチャージバランスの変化のさせ方を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８は、本実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図である。この図に示すように、本実施形態の半導体装置では、カラム繰り返し方向において、カラムピッチについてはセル領域１から外周方向に向かっても変化させないで一定にしつつ、Ｐ型カラム領域５の幅をセル領域１から外周方向に向かうに連れて狭くなるようにしている。このように、Ｐ型カラム領域５の幅が徐々に狭くなるようにすることで、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５との電荷量のバランスをセル領域１から外周方向に向かって連続的に変化させている。

このように、カラム繰り返し方向においてＰ型カラム領域５の幅を変化させるようにしても、周辺領域２をＮ型電荷量が支配的となるＮリッチ領域としつつ、セル領域１から外周方向に向かって連続的にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも大きくなるように変化させられる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してＳＪ構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９（ａ）は、本実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図であり、図９（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図９（ａ）のＦ−Ｆ断面とＧ−Ｇ断面でのＮ型カラム領域４の不純物濃度分布を示した図である。

図９（ａ）に示すように、本実施形態では、紙面左右方向をカラム長手方向として、Ｐ型カラム領域５をカラム長手方向においてセル領域１から周辺領域２に至るまで一定幅としている。ただし、周辺領域２では、Ｎ型カラム領域４の不純物濃度をカラム長手方向およびカラム繰り返し方向において変化させており、Ｎ型カラム領域４の電荷量がセル領域１から外周方向に向かうに連れて大きくなるようにしている。

このように、Ｎ型カラム領域４の不純物濃度がセル領域１から外周方向に向かうに連れて高くなるようにしても、周辺領域２をＮ型電荷量が支配的となるＮリッチ領域としつつ、セル領域１から外周方向に向かって連続的にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも大きくなるように変化させられる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して周辺領域２でのＳＪ構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０は、本実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図である。この図に示すように、本実施形態では、セル領域１では、紙面左右方向をカラム長手方向とし、その垂直方向をカラム繰り返し方向としてＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５が繰り返し配置されたＳＪ構造とされている。一方、周辺領域２では、セル領域１の周囲を囲むように、多重枠状にＰ型カラム領域５が備えられている。本実施形態の場合、セル領域１が四角形状とされていることから、周辺領域２におけるＰ型カラム領域５も四角枠状とされ、コーナ部において電界集中を緩和できるように、コーナ部を丸めてある。

このような構造において、多重枠状に配置されたＰ型カラム領域５の間隔をセル領域１の外周方向に向かうに連れて大きくしている。これにより、Ｎ型カラム領域４の電荷量がセル領域１から外周方向に向かうに連れて大きくなるようにしている。

このように、多重枠状に配置されたＰ型カラム領域５の間隔をセル領域１の外周方向に向かうに連れて大きくしても、周辺領域２をＮ型電荷量が支配的となるＮリッチ領域としつつ、セル領域１から外周方向に向かって連続的にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも大きくなるように変化させられる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してＳＪ構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１１は、本実施形態にかかる半導体装置のＳＪ構造の平面レイアウト図である。この図に示すように、本実施形態では、セル領域１および周辺領域２の両方において、Ｐ型カラム領域５をドット状に点在させている。セル領域１では、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５におけるカラム比が１：１の比率とされている。そして、周辺領域２においてＰ型カラム領域５の形成されている割合をセル領域１よりも小さくし、その割合がセル領域１から外周方向に向かうに連れて徐々に小さくなるようにしている。これにより、Ｎ型カラム領域４の電荷量がセル領域１から外周方向に向かうに連れて大きくなるようにしている。

このような構成とすれば、ＳＪ構造をストライプ状のＰＮカラムとせず、Ｐ型カラム領域５をドット状に点在させた構造とした場合であっても、周辺領域２をＮ型電荷量が支配的となるＮリッチ領域としつつ、セル領域１から外周方向に向かって連続的にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも大きくなるように変化させられる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第５実施形態と異なる部分について説明する。図１２は、本発明の第６実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に対応する図である。

この図に示すように、Ｎ型カラム領域４およびｐ型カラム領域５を半導体基板６の表面まで形成しておき、ｐ型層７をエピタキシャル成長ではなくイオン注入によって形成することもできる。

このように、イオン注入によってｐ型層７を形成する場合、半導体基板６の表面までＮ型カラム領域４が形成された状態にできることから、第１実施形態で示したようなＮ＋型領域２２（図２参照）を形成しなくても、ドリフト領域の周囲のＮ型エピタキシャル領域と最外周電極２１との電気的な接続を図ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された半導体装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、半導体素子はＭＯＳＦＥＴに限らず、ダイオード等でも良い。また、ＭＯＳＦＥＴはトレンチゲート型ではなく、プレーナ型でも良い。また、ＳＪ構造についても、上記した構造に限るものではない。すなわち、セル領域１では隣り合うＰＮカラムの全体でのＰ型電荷量とＮ型電荷量が一致させられ、周辺領域２ではＮ型電荷量が支配的となるＮリッチ領域としつつ、セル領域１から外周方向に向かって連続的にＮ型電荷量がＰ型電荷量よりも大きくなるように変化させた構造であれば良い。

また、上記各実施形態では、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型とする場合について説明したが、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型とする半導体装置についても、本発明を適用することができる。つまり、上記各実施形態で説明した各部の導電型を反転させた構造についても、本発明を適用することができる。

また、チャージバランス変化領域２７の構造に応じて、コーナー部の余剰濃度勾配を繰り返し方向、およびそれと垂直方向における余剰濃度勾配よりも小さくさせるようにすると好ましい。

例えば、図４（ａ）に示した構造では、繰り返し方向において並べられた各Ｐ型カラム領域５の幅が一定となるようにし、先細り形状とされた端部のテーパ角も一定としている。そして、繰り返し方向においてセル領域１の外周方向に向かうほど、Ｐ型カラム領域５のピッチが大きくなるようにしている。このような構造とする場合には、繰り返し方向およびそれと垂直方向の両方において、セル領域１の外周方向に向かうほど余剰濃度が小さくなる。

このため、図４（ａ）に示した構造のコーナー部では、繰り返し方向、およびそれと垂直方向におけるチャージバランス変化領域２７よりも、更に余剰濃度勾配が大きくなる。つまり、コーナー部では、繰り返し方向およびそれと垂直方向での余剰濃度を合わせた余剰濃度となることから、余剰濃度勾配がより大きくなる。
＿繰り返し方向における余剰濃度が同じ部分とその垂直方向における余剰濃度が同じ部分とを線で結び、余剰濃度が同じ場所を示す線を等余剰濃度線と定義する。
図４（ａ）に示した構造の場合、コーナー部における等余剰濃度線ついては図１３（ａ）に示すようになる。コーナー部の等余剰濃度線は繰り返し方向と垂直方向と比較して密になっている。これは、コーナー部の耐圧が繰り返し方向と垂直方向との耐圧よりも低いことを示唆している。

このため、図１３（ｂ）に示すように、コーナー部での等余剰濃度線がセル領域１の外周方向に向かうに連れて徐々に曲率が大きくなるような、Pカラム領域５とＮカラム領域４のカラム形状を形成する。これにより、コーナー部の等余剰濃度線は繰り返し方向と垂直方向と比較して疎になっている。これは、コーナー部の耐圧が繰り返し方向と垂直方向との耐圧よりも高いことを示唆しており、より理想的な構造にすることができる。

なお、上記各実施形態では、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５を構成するＮ型不純物やＰ型不純物の濃度自体は一定で、これらの形成面積（体積）をセル領域１の外周方向に向かうに連れて変化させることでチャージバランス変化領域２７を構成している。同様に、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５の形成面積（体積）を深さ方向において変化させることで、深さ方向においてもチャージバランスを変化させるチャージバランス変化構造を構成するようにしている。これは、Ｎ型カラム領域４やＰ型カラム領域５を構成するＮ型不純物やＰ型不純物の濃度が一定である方が製造工程の簡素化を可能にできるためである。しかしながら、Ｎ型カラム領域４やＰ型カラム領域５の製造工程を不純物濃度別に複数回に分けて行えば、これらを構成するＮ型不純物やＰ型不純物の濃度を変化させることもできる。このため、第３実施形態のように、Ｎ型カラム領域４やＰ型カラム領域５を構成するＮ型不純物やＰ型不純物の濃度をセル領域１の外周方向に向かうに連れて変化させ、外周方向に向かうほどＰ型不純物がＮ型不純物よりも低くなるようにして、チャージバランス変化領域２７を構成しても良い。同様に、Ｎ型カラム領域４とＰ型カラム領域５を構成するＮ型不純物やＰ型不純物の濃度を深さ方向において変化させ、深くなるほどＰ型不純物がＮ型不純物よりも低くなるようにして、チャージバランスを変化させるようにしても良い。

要するに、チャージバランス変化領域２７は、セル領域１の外周方向に向かうに連れて第１導電型電荷量となるＮ型電荷量よりも第２導電型電荷量となるＰ型電荷量が徐々に小さくなればよいのである。深さ方向についても、深くなるほど第１導電型電荷量となるＮ型電荷量よりも第２導電型電荷量となるＰ型電荷量が徐々に小さくなればよい。このため、例えばＰ型カラム領域５内のＰ型不純物濃度を一定にしつつ、Ｎ型カラム領域４内のＮ型不純物濃度がセル領域１の外周方向に向かうに連れて大きくなるようにしても良い。

同様に、第５実施形態のようにＰ型カラム領域５をドット状に点在させた構造の場合には、セル領域１の外周方向に向かうに連れてＰ型カラム領域５を構成するドットの形成面積（体積）を小さくするようにしてチャージバランス変化領域２７を構成しても良い。

なお、第１実施形態では、第１実施形態で説明したＮ型カラム領域４およびＰ型カラム領域５の形状に合わせて、Ｎ型電荷量やＰ型電荷量の関係を第１テーパ角および第２テーパ角の大小関係として説明した。具体的には、第１実施形態では、チャージバランス変化領域２７について、第２テーパ角の方が第１テーパ角よりも大きくすることで、周辺領域２においてセル領域１よりも耐圧が高くなるようにすることが可能にした。しかしながら、第２〜第６実施形態の構造、もしくは、Ｎ型カラム領域４やＰ型カラム領域５を構成するＮ型不純物濃度やＰ型不純物をセル領域１の外周方向や深さ方向において変化させる場合についても、同様のことが言える。すなわち、第１導電型カラム領域（Ｎ型カラム領域４）と第２導電型カラム領域（Ｐ型カラム領域５）とについて、以下の関係が成り立てばよい。

第１導電型カラム領域（Ｎ型カラム領域４）および第２導電型カラム領域（Ｐ型カラム領域５）の繰り返し単位をカラムピッチとする。また、余剰濃度Ｎ（余剰濃度＝（第２導電型電荷量−第１導電型電荷量）／カラムピッチ）とする。そして、この場合のチャージバランス変化領域２７におけるセル領域１から外周方向へ向かう余剰濃度勾配をｄＮ／ｄｘ＝（Ｎ１−Ｎ２）／ｘとする。本式において、Ｎ１は、セル領域１と周辺領域２との境界位置での第２導電型電荷量（Ｐ型カラム領域５のＰ型電荷量）と第１導電型電荷量（Ｎ型カラム領域４のＮ型電荷量）との差をカラムピッチで割った濃度である。Ｎ２は、セル領域１から外周方向に向かった先端位置（最外周）での第２導電型電荷量（Ｐ型カラム領域５のＰ型電荷量）と第１導電型電荷量（Ｎ型カラム領域４のＮ型電荷量）との差をカラムピッチで割った濃度である。ｘは、第２導電型カラム領域のうちのセル領域１の最外周位置から外周方向先端位置までの長さである。また、セル領域１における深さ方向の余剰濃度勾配をｄＮ／ｄｚ＝（Ｎ３−Ｎ４）／ｚとする。本式において、Ｎ３は、セル領域１の表面位置での第２導電型電荷量（Ｐ型電荷量）と第１導電型電荷量（Ｎ型カラム領域４のＮ型電荷量）との差をカラムピッチで割った濃度である。Ｎ４は、セル領域１の最深位置での第２導電型電荷量（Ｐ型電荷量）と第１導電型電荷量（Ｎ型カラム領域４のＮ型電荷量）との差をカラムピッチで割った濃度である。ｚは、セル領域１の表面位置から最深位置までの距離、つまり第２導電型カラム領域の深さである。

このように定義した各余剰濃度勾配について、ｄＮ／ｄｘ≦ｄＮ／ｄｚとなるようにすることで、等電位線の間隔がセル領域１内よりも周辺領域２の方が広くなり、電界集中が疎になる。したがって、周辺領域２においてセル領域１よりも耐圧が高くなるようにすることが可能となる。

また、チャージバランス変化領域２７のうちの最内周位置、つまり余剰濃度に変化勾配が設けられる変化の開始点については、セル領域１と周辺領域２の境界位置に限るものではない。例えば、周辺領域２内に余剰濃度の変化の開始点が位置していても良い。上記実施形態では、セル領域１と周辺領域２の境界位置をチャージバランス変化領域２７の開始位置としていたため、ｘをセル領域１と周辺領域２との境界位置から周辺領域２の最外周までの距離で定義したが、基本的にはチャージバランス変化領域２７のうちの最内周位置から最外周位置までがｘとなる。

１ セル領域
２ 周辺領域
３ ドレイン層
４ Ｎ型カラム領域
５ Ｐ型カラム領域
６ 半導体基板
７ Ｐ型層
９ 半導体素子
１２ ソース電極
１７ ゲート電極
２７ チャージバランス変化領域

Claims (10)

1. ドリフト領域としての第１導電型カラム領域（４）および第２導電型カラム領域（５）が第１導電型層（３）の上に形成され、前記第１導電型カラム領域（４）および前記第２導電型カラム領域（５）によってスーパージャンクション構造が構成された半導体基板（６）を備え、
   前記半導体基板（６）のうち半導体素子（９）が形成された領域がセル領域（１）とされ、当該セル領域（１）の外周に設けられた領域が周辺領域（２）とされている半導体装置であって、
   前記セル領域（１）では、前記スーパージャンクション構造での第１導電型電荷量と第２導電型電荷量が等しくされ、
   前記周辺領域（２）では、前記セル領域（１）の外周方向に向かうに連れて、前記スーパージャンクション構造での第１導電型電荷量が徐々に第２導電型電荷量よりも多くされるチャージバランス変化領域（２７）が備えられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記スーパージャンクション構造は、前記第１導電型カラム領域（４）および前記第２導電型カラム領域（５）が、前記第１導電型層（３）の面方向と平行な一方向をカラム長手方向とし、該カラム長手方向に対する垂直方向をカラム繰り返し方向として繰り返し交互に形成されることで構成され、
   前記第２導電型カラム領域（５）は、前記カラム長手方向の先端部において徐々に幅が狭くされた先細り形状とされることで前記第１導電型カラム領域（４）との境界面が前記カラム繰り返し方向に対して傾斜させられたテーパ面とされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記スーパージャンクション構造は、前記セル領域（１）と前記周辺領域（２）の両方において前記カラム繰り返し方向における前記第２導電型カラム領域（５）の寸法が等しく、前記第１導電型カラム領域（４）および前記第２導電型カラム領域（５）の繰り返し単位であるカラムピッチが、前記セル領域（１）では等しく、前記周辺領域（２）では前記セル領域（１）の外周方向に向かうに連れて前記セル領域（１）よりも広くされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記スーパージャンクション構造は、前記周辺領域（２）において前記セル領域（１）から外周方向に向かうに連れて前記カラム繰り返し方向における前記第２導電型カラム領域（５）の寸法が小さくされ、前記第１導電型カラム領域（４）および前記第２導電型カラム領域（５）の繰り返し単位であるカラムピッチが、前記セル領域（１）と前記周辺領域（２）とで一定とされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記第２導電型カラム領域（５）は、前記セル領域（１）から外周に向かうに連れて深さが浅くなっていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記第１導電型カラム領域（４）は、前記周辺領域（２）において、前記セル領域（１）から外周に向かうに連れて第１導電型不純物濃度が高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
7. 前記スーパージャンクション構造は、前記セル領域（１）では、前記第１導電型カラム領域（４）および前記第２導電型カラム領域（５）が、前記第１導電型層（３）の面方向と平行な一方向をカラム長手方向とし、該カラム長手方向に対する垂直方向をカラム繰り返し方向として繰り返し交互に形成されることで構成され、前記周辺領域（２）では、前記第２導電型カラム領域（５）が前記セル領域（１）の周囲を囲む多重枠状で構成され、
   前記周辺領域（２）において、前記多重枠状で構成された前記第２導電型カラム領域（５）の間隔が前記セル領域（１）の外周方向に向かうに連れて大きくされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
8. 前記スーパージャンクション構造は、前記第１導電型カラム領域（４）に対して前記第２導電型カラム領域（５）がドット状に点在させられた構成とされ、
   前記第１導電型カラム領域（４）の形成されている割合が前記セル領域（１）よりも前記周辺領域（２）の方が小さく、当該割合が前記セル領域（１）の外周方向に向かうに連れて小さくされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
9. 前記スーパージャンクション構造は、深さ方向においても、第１導電型電荷量と第２導電型電荷量との関係が徐々に変化するチャージバランス変化構造を備えており、
   第１導電型カラム領域（４）および第２導電型カラム領域（５）の繰り返し単位をカラムピッチとし、
   余剰濃度Ｎ（余剰濃度＝（第２導電型電荷量−第１導電型電荷量）／カラムピッチ）としたとき、
   前記チャージバランス変化領域（２７）のうちの最内周位置での余剰濃度をＮ１、前記セル領域（１）から外周方向に向かった前記チャージバランス変化領域（２７）のうちの最外周位置での余剰濃度をＮ２、前記チャージバランス変化領域（２７）の最内周位置から最外周位置までの長さをｘとしたときの前記チャージバランス変化領域（２７）における余剰濃度の外周方向へ向かう濃度変化勾配ｄＮ／ｄｘ＝（Ｎ１−Ｎ２）／ｘと、
   前記セル領域（１）の表面位置での余剰濃度をＮ３、前記セル領域（１）の最深位置での余剰濃度をＮ４、前記セル領域（１）の表面位置から最深位置までの距離をｚとしたときの前記チャージバランス変化構造における余剰濃度の深さ方向の濃度変化勾配をｄＮ／ｄｚ＝（Ｎ３−Ｎ４）／ｚとが、
   ｄＮ／ｄｘ≦ｄＮ／ｄｚの関係を満たしていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置。
10. 前記周辺領域（２）の最外周での余剰濃度Ｎ２と前記セル領域（１）の最深位置での余剰濃度Ｎ４とが、
    Ｎ２＞Ｎ４の関係を満たしていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の半導体装置。

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