JP2014192433A - Semiconductor device - Google Patents

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拓雄 斎藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which has a structure for reducing field concentration, and which inhibits an increase in device size and an increase in manufacturing processes.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a first conductivity type semiconductor substrate on which an element region and an outer peripheral region which surrounds the element region are defined on a principal surface; a second conductivity type first semiconductor region formed in the outer peripheral region so as to surround the element region; and a second conductivity type second semiconductor region which is formed at a depth including a bottom of the first semiconductor region and has an impurity concentration lower than an impurity concentration of the first semiconductor region which extends toward an outer periphery of the semiconductor substrate.

Description

本発明は、耐圧向上のための構造が形成される半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a structure for improving breakdown voltage is formed.

半導体装置において、半導体素子が形成される素子領域の外周に耐圧を向上させる構造(以下において「耐圧構造」という。)として、ガードリングやリサーフなどが配置される。これにより、素子領域の周囲に発生する電界集中を緩和して、半導体装置の耐圧向上が図られている。   In a semiconductor device, a guard ring, a RESURF, or the like is arranged as a structure for improving a breakdown voltage (hereinafter referred to as a “breakdown voltage structure”) on the outer periphery of an element region where a semiconductor element is formed. Thereby, the electric field concentration generated around the element region is relaxed, and the breakdown voltage of the semiconductor device is improved.

ところで、シリコン(Si)基板の場合には、不純物イオン注入後のアニール処理により、熱拡散による不純物濃度の調整が可能である。しかし、シリコンカーバイト(SiC)基板の場合には、高温に加熱しても不純物の拡散はほぼ起こらない。このため、イオン注入プロファイルのみでの濃度調整が必要である。   By the way, in the case of a silicon (Si) substrate, the impurity concentration can be adjusted by thermal diffusion by annealing after impurity ion implantation. However, in the case of a silicon carbide (SiC) substrate, impurity diffusion hardly occurs even when heated to a high temperature. For this reason, it is necessary to adjust the concentration only with the ion implantation profile.

このため、SiC基板の半導体装置にガードリング構造やリサーフ構造を適用するために、種々の方法が提案されている。例えば、リサーフ構造において、単位面積当たりの不純物注入領域の面積の割合をチップ端部に向けて減少させることにより、耐圧を向上する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   For this reason, various methods have been proposed in order to apply a guard ring structure or a RESURF structure to a SiC substrate semiconductor device. For example, in the RESURF structure, a method has been proposed in which the breakdown voltage is improved by reducing the ratio of the area of the impurity implantation region per unit area toward the end of the chip (see, for example, Patent Document 1).

特表2000−516767号公報JP 2000-516767

しかしながら、逆バイアス印加時においてガードリング内では空乏層が殆ど広がらない。このため、ガードリング周囲の半導体膜に空乏層が広がってリーチスルーが起こり、耐圧の低下を招くという問題がある。また、ガードリング内全体に空乏層が広がらないために、ガードリングの一部のみしか耐圧向上に貢献しない。このため、耐圧向上のためには、多数のガードリングを配置する必要があり、半導体装置のサイズが増大する。   However, the depletion layer hardly spreads in the guard ring when reverse bias is applied. For this reason, there is a problem that a depletion layer spreads in the semiconductor film around the guard ring, reach-through occurs, and the breakdown voltage decreases. Further, since the depletion layer does not spread throughout the guard ring, only a part of the guard ring contributes to the breakdown voltage improvement. For this reason, in order to improve the breakdown voltage, it is necessary to arrange a large number of guard rings, which increases the size of the semiconductor device.

一方、リサーフ構造を採用した場合は、リサーフを形成するためのイオン注入工程が必要である。特に、電界集中を緩和する効果を高めるためにリサーフ内に濃度分布を設けることが一般的であるが、このためにはリサーフを形成するイオン注入を複数回行う必要がある。これにより、半導体装置の製造工程が増加する。   On the other hand, when the RESURF structure is adopted, an ion implantation process for forming the RESURF is necessary. In particular, it is common to provide a concentration distribution in the resurf in order to enhance the effect of relaxing the electric field concentration. For this purpose, it is necessary to perform ion implantation for forming the resurf several times. Thereby, the manufacturing process of a semiconductor device increases.

上記問題点に鑑み、本発明は、電界集中を緩和する構造を有し、且つ装置サイズの増大及び製造工程の増加が抑制された半導体装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that has a structure that alleviates electric field concentration and that suppresses an increase in device size and an increase in manufacturing processes.

本発明の一態様によれば、素子領域及び前記素子領域の周囲を囲む外周領域が主面に定義された第1導電型の半導体基体と、前記外周領域に前記素子領域の周囲を囲むように形成される第2導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の底部を含む深さに形成され、前記半導体基体の外周に向かって延伸する前記第1半導体領域の不純物濃度よりも低い濃度の第2導電型の第2半導体領域とを備えることを特徴とする半導体装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, the element region and the outer peripheral region surrounding the periphery of the element region are defined as a first conductivity type semiconductor substrate, and the periphery region surrounds the periphery of the element region. It is formed at a depth including the first semiconductor region of the second conductivity type to be formed and the bottom of the first semiconductor region, and is lower than the impurity concentration of the first semiconductor region extending toward the outer periphery of the semiconductor substrate. There is provided a semiconductor device comprising: a second semiconductor region of a second conductivity type having a concentration.

本発明によれば、電界集中を緩和する構造を有し、且つ装置サイズの増大及び製造工程の増大が抑制された半導体装置を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that has a structure that reduces electric field concentration and that suppresses an increase in device size and an increase in manufacturing processes.

本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing the composition of the semiconductor device concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の全体の平面図である。1 is an overall plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の部分的な平面図である。1 is a partial plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 関連技術のリサーフ構造の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the resurf structure of related technology. 関連技術のリサーフ構造の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the resurf structure of related technology. 関連技術のガードリング構造の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the guard ring structure of related technology. 関連技術のガードリング構造の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the guard ring structure of related technology. pn接合ダイオードの1次元計算モデルである。It is a one-dimensional calculation model of a pn junction diode. 図8に示した計算モデルの濃度プロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the density | concentration profile of the calculation model shown in FIG. 図8に示した計算モデルを用いて得られた座標と電界の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coordinate obtained using the calculation model shown in FIG. 8, and an electric field. 図8に示した計算モデルを用いて得られた座標と電位の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coordinate and electric potential which were obtained using the calculation model shown in FIG. ガードリングに形成される空乏層の状態を説明するための模式的な断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the state of the depletion layer formed in a guard ring. 本発明の実施形態に係る半導体装置と従来例における電界と電位の関係を比較したグラフである。It is the graph which compared the relationship between the electric field and electric potential in the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention, and a prior art example. 本発明の実施形態に係る半導体装置のイオン注入段数の一例を示したものである。2 shows an example of the number of ion implantation stages of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device which concerns on the modification of embodiment of this invention.

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the ratio of the thickness of each layer is different from the actual one. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, structure, arrangement, etc. of the component parts. Is not specified as follows. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

本発明の実施形態に係る半導体装置100は、図1に示すように、シリコンカーバイト基板(SiC基板)1を有し、素子領域101及び素子領域101の周囲を囲む外周領域102が主面に定義された第1導電型の半導体基体10と、素子領域101と外周領域102との境界領域において半導体基体10の上部の一部に素子領域101を囲んで埋め込まれる第2導電型の主接合部4と、外周領域102に多重に配置された第2導電型の第1半導体領域としてガードリング11と、隣り合うガードリング11の底部を含むように配置される第2導電型の第2半導体領域として電界緩和層8を備える。
主接合部4は、素子領域101と外周領域102の境界を含む一定の幅の境界領域に形成されている。第1リサーフ領域51〜第3リサーフ領域53は、主接合部4の周囲を囲んで外周領域102の上部に埋め込まれた少なくとも1つのガードリング11をそれぞれ有している。さらに第3リサーフ領域の外周側には、ガードリング11を有さない第4リサーフ領域が形成されている。すなわち、リサーフ領域のうち、最外周のリサーフ領域には、ガードリング11は形成されない構造となっている。
As shown in FIG. 1, a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention includes a silicon carbide substrate (SiC substrate) 1 and an element region 101 and an outer peripheral region 102 surrounding the element region 101 as a main surface. The first conductive type semiconductor substrate 10 defined, and the second conductive type main junction portion embedded in the upper part of the semiconductor substrate 10 so as to surround the element region 101 in the boundary region between the element region 101 and the outer peripheral region 102. 4 and a second conductivity type second semiconductor region disposed so as to include the guard ring 11 and the bottom portion of the adjacent guard ring 11 as a second conductivity type first semiconductor region disposed in multiple locations in the outer peripheral region 102. The electric field relaxation layer 8 is provided.
The main junction 4 is formed in a boundary region having a certain width including the boundary between the element region 101 and the outer peripheral region 102. Each of the first resurf region 51 to the third resurf region 53 has at least one guard ring 11 that surrounds the periphery of the main joint portion 4 and is embedded in the upper portion of the outer peripheral region 102. Further, a fourth resurf region that does not have the guard ring 11 is formed on the outer peripheral side of the third resurf region. That is, the guard ring 11 is not formed in the outermost resurf region in the resurf region.

なお、第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。すなわち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。以下では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合を例示的に説明する。   The first conductivity type and the second conductivity type are opposite to each other. That is, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, and if the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. Hereinafter, a case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type will be described as an example.

図1に示した半導体装置100の半導体基体10は、SiC基板1上にSiCからなる半導体層を積層した構造である。以下では、半導体基体10が、高濃度n型のSiC基板1上に低濃度n型のエピタキシャル成長膜2が形成された構造である場合を例示的に説明する。エピタキシャル成長膜2の上部の一部に、選択的にガードリング11が埋め込まれている。   A semiconductor substrate 10 of the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 has a structure in which a semiconductor layer made of SiC is stacked on a SiC substrate 1. Hereinafter, a case where the semiconductor substrate 10 has a structure in which the low-concentration n-type epitaxial growth film 2 is formed on the high-concentration n-type SiC substrate 1 will be described as an example. A guard ring 11 is selectively embedded in a part of the upper portion of the epitaxial growth film 2.

また、半導体装置100が素子領域101上にショットキー電極3が配置されたショットキーバリアダイオード(SBD)である例を、図1は示している。即ち、エピタキシャル成長膜2とショットキー電極3との界面にショットキー接合が形成されている。逆バイアス印加時に、ショットキー電極3の外側の電極端31に電界集中が生じる。電界緩和を目的として、ショットキー電極3の電極端31近傍の半導体基体10内に主接合部4が配置されている。主接合部4を形成するために、例えばイオン注入法によって半導体基体10内にp型半導体領域が形成される。なお、主接合部4の側面は、外側の端部41において第1リサーフ領域51に接している。第1リサーフ領域51〜第4リサーフ領域54は、主接合部4の端部41に発生する電界集中を緩和するために配置されている。   FIG. 1 shows an example in which the semiconductor device 100 is a Schottky barrier diode (SBD) in which the Schottky electrode 3 is disposed on the element region 101. That is, a Schottky junction is formed at the interface between the epitaxial growth film 2 and the Schottky electrode 3. When a reverse bias is applied, electric field concentration occurs at the electrode end 31 outside the Schottky electrode 3. For the purpose of electric field relaxation, the main junction 4 is disposed in the semiconductor substrate 10 near the electrode end 31 of the Schottky electrode 3. In order to form the main junction 4, a p-type semiconductor region is formed in the semiconductor substrate 10 by, for example, an ion implantation method. The side surface of the main joint 4 is in contact with the first RESURF region 51 at the outer end 41. The first RESURF region 51 to the fourth RESURF region 54 are arranged to alleviate the electric field concentration generated at the end portion 41 of the main joint portion 4.

電界緩和層8は、ガードリング11の底部に生ずる電界集中を緩和させるため、主接合部4及び隣り合う全てのガードリングの底部を含むように形成される。そして、電界緩和層8は最外周に位置するガードリング11よりさらに外周側へ伸びており、この部分が第4リサーフ領域54を形成している。なお、電界緩和層8は、ガードリング11の不純物濃度よりも薄いp型半導体領域によって形成されている。   The electric field relaxation layer 8 is formed so as to include the main junction 4 and the bottoms of all adjacent guard rings in order to reduce the electric field concentration generated at the bottom of the guard ring 11. The electric field relaxation layer 8 extends further to the outer peripheral side than the guard ring 11 located at the outermost periphery, and this portion forms a fourth RESURF region 54. The electric field relaxation layer 8 is formed of a p-type semiconductor region that is thinner than the impurity concentration of the guard ring 11.

外周領域102では、エピタキシャル成長膜2上にチップ端7まで酸化膜9が配置されている。また、SiC基板1の裏面には、裏面電極16が配置されている。 In the outer peripheral region 102, an oxide film 9 is disposed on the epitaxial growth film 2 up to the chip end 7. A back electrode 16 is disposed on the back surface of the SiC substrate 1.

以下において、外周領域102に配置されたリサーフ領域を総称して「リサーフ領域5」という。図1では4つの環状の第1リサーフ領域51〜第4リサーフ領域54が外周領域102に配置されている例を示したが、リサーフ領域5の数は4つに限られるものではない。 Hereinafter, the RESURF regions arranged in the outer peripheral region 102 are collectively referred to as “RESURF region 5”. Although FIG. 1 shows an example in which four annular first resurf regions 51 to fourth resurf regions 54 are arranged in the outer peripheral region 102, the number of the resurf regions 5 is not limited to four.

なお、リサーフ領域5のいずれかがガードリング11を備えている。図1に示した例では、第1リサーフ領域51に含まれるガードリングの個数は1であるが、第2リサーフ領域52及び第3リサーフ領域53に含まれるガードリングの個数はそれぞれ5である。そして、第4リサーフ領域には、電界緩和層8のみであって、ガードリング11は含まれない。   One of the RESURF regions 5 includes a guard ring 11. In the example shown in FIG. 1, the number of guard rings included in the first resurf region 51 is one, but the number of guard rings included in the second resurf region 52 and the third resurf region 53 is five. The fourth RESURF region includes only the electric field relaxation layer 8 and does not include the guard ring 11.

素子領域101からの距離が長いリサーフ領域5ほど、リサーフ領域5内のガードリング11の幅は狭く形成されている。ただし、同一のリサーフ領域5内では、ガードリング11の幅は略同一である。ガードリング11の幅の詳細については後述する。   The width of the guard ring 11 in the RESURF region 5 is made narrower as the RESURF region 5 has a longer distance from the element region 101. However, the width of the guard ring 11 is substantially the same in the same resurf region 5. Details of the width of the guard ring 11 will be described later.

図2に、半導体装置100全体の平面図を示す。素子領域101の周囲に配置された外周領域102が、耐圧構造が配置される耐圧構造領域である。図2に示すように、外周領域102の幅をdとする。なお、図2ではガードリング11の図示を省略している。   FIG. 2 shows a plan view of the entire semiconductor device 100. An outer peripheral region 102 disposed around the element region 101 is a breakdown voltage structure region in which a breakdown voltage structure is disposed. As shown in FIG. 2, the width of the outer peripheral region 102 is d. In addition, illustration of the guard ring 11 is abbreviate | omitted in FIG.

図3は、図2の右上部の一部を拡大した平面図である。主接合部4の周囲を取り囲むようにリサーフ領域51〜54が形成されている。主接合部4の周囲には、幅の異なる複数のガードリングが形成されており、最外周のガードリング11のさらに外周には、電界緩和層8によって構成される第4リサーフ領域54が形成されている。 FIG. 3 is an enlarged plan view of a part of the upper right portion of FIG. Resurf regions 51 to 54 are formed so as to surround the main joint 4. A plurality of guard rings having different widths are formed around the main joint portion 4, and a fourth resurf region 54 formed of the electric field relaxation layer 8 is formed on the outer periphery of the outermost guard ring 11. ing.

ここで、図3に示した半導体装置100と同様に素子領域101と外周領域102が定義されたSBDについて、関連技術のリサーフ構造又はガードリング構造を耐圧構造として採用した例を説明する。即ち、ショットキー電極3が配置された素子領域101の周囲を囲んで、SBDの耐圧を向上するためのリサーフ構造やガードリング構造などの耐圧構造が形成される外周領域102が配置されている。   Here, an example in which the related art RESURF structure or guard ring structure is employed as the breakdown voltage structure for the SBD in which the element region 101 and the outer peripheral region 102 are defined as in the semiconductor device 100 shown in FIG. 3 will be described. In other words, an outer peripheral region 102 is disposed so as to surround the element region 101 where the Schottky electrode 3 is disposed and in which a breakdown voltage structure such as a RESURF structure or a guard ring structure for improving the breakdown voltage of the SBD is formed.

耐圧構造にリサーフ構造を採用した例を図4、図5に示し、ガードリング構造を採用した例を図6、図7に示す。リサーフ構造とガードリング構造のいずれを採用した例も、半導体基体10はSiC基板1上にエピタキシャル成長膜2が形成された構造であり、エピタキシャル成長膜2上にショットキー電極3が配置されている。エピタキシャル成長膜2とショットキー電極3の界面にショットキー接合が形成されている。逆バイアスVは、ショットキー電極3と裏面電極16間に、裏面電極16が正電位になるように印加される。   An example in which the RESURF structure is adopted as the pressure-resistant structure is shown in FIGS. 4 and 5, and an example in which the guard ring structure is adopted is shown in FIGS. In any of the examples employing the RESURF structure or the guard ring structure, the semiconductor substrate 10 has a structure in which the epitaxial growth film 2 is formed on the SiC substrate 1, and the Schottky electrode 3 is disposed on the epitaxial growth film 2. A Schottky junction is formed at the interface between the epitaxial growth film 2 and the Schottky electrode 3. The reverse bias V is applied between the Schottky electrode 3 and the back electrode 16 so that the back electrode 16 has a positive potential.

逆バイアス印加時に、ショットキー電極3の電極端31に電界集中が生じる。電界緩和を目的として、ショットキー電極3の電極端31の近傍で半導体基体10にp型半導体領域がイオン注入法によって形成され、主接合部4が形成されている。   When reverse bias is applied, electric field concentration occurs at the electrode end 31 of the Schottky electrode 3. For the purpose of electric field relaxation, a p-type semiconductor region is formed in the semiconductor substrate 10 in the vicinity of the electrode end 31 of the Schottky electrode 3 by the ion implantation method, and the main junction 4 is formed.

リサーフ構造を採用した例では、図4、図5に示すように、主接合部4の外側で外周領域102に第1リサーフ領域51a〜第4リサーフ領域54aが主面に沿って同心円状に連続的に配置されている。一方、ガードリング構造を採用した例では、図6、図7に示すように、主接合部4の外側で外周領域102に複数のガードリング11aが主面に沿って同心円状に互いに離間して配置されている。   In the example employing the RESURF structure, as shown in FIGS. 4 and 5, the first RESURF region 51 a to the fourth RESURF region 54 a are concentrically continuous along the main surface in the outer peripheral region 102 outside the main joint 4. Are arranged. On the other hand, in the example employing the guard ring structure, as shown in FIGS. 6 and 7, a plurality of guard rings 11 a are concentrically separated from each other along the main surface in the outer peripheral region 102 outside the main joint portion 4. Has been placed.

逆バイアス時に、pn接合周辺では空乏層が広がる。この空乏層内の電界の大きさは、pn接合部で最大である。このような空乏層・電界・電圧の関係は、一般的に以下の式(1)に示すポアソン方程式により表される:

2φ(x,y,z)=ρ(x,y,z)/ε ・・・(1)

式(1)で、φ(x,y,z)は座標(x,y,z)の電位、ρ(x,y,z)は座標(x,y,z)の電界密度、εは誘電率である。
At the time of reverse bias, a depletion layer spreads around the pn junction. The magnitude of the electric field in this depletion layer is maximum at the pn junction. Such a depletion layer / electric field / voltage relationship is generally represented by the Poisson equation shown in the following equation (1):

2 φ (x, y, z) = ρ (x, y, z) / ε (1)

In equation (1), φ (x, y, z) is the potential at coordinates (x, y, z), ρ (x, y, z) is the electric field density at coordinates (x, y, z), and ε is the dielectric Rate.

図8〜図11に、1次元での計算モデルと計算結果について示す。図8に示した計算モデルは、pn接合ダイオードを1次元で表したものであり、逆バイアスVを印加した状態の電気回路も示している。pn接合ダイオードの両端において、裏面電極16とショットキー電極3が、SiC基板1の裏面とn型のエピタキシャル成長膜2表面のp型半導体層17にそれぞれ形成されている。   8 to 11 show a one-dimensional calculation model and calculation results. The calculation model shown in FIG. 8 is a one-dimensional representation of a pn junction diode, and also shows an electric circuit in a state where a reverse bias V is applied. At both ends of the pn junction diode, a back electrode 16 and a Schottky electrode 3 are respectively formed on the back surface of the SiC substrate 1 and the p-type semiconductor layer 17 on the surface of the n-type epitaxial growth film 2.

図8に示した1次元モデルでは、ポアソン方程式も式(2)のように簡単になる:

2/∂x2(φ(x))=ρ(x)/ε=eN(x)/ε ・・・(2)

ここで、空乏層の不純物濃度=電荷密度とし、不純物濃度は深さ方向に一定値であり、階段接合として計算した。
In the one-dimensional model shown in FIG. 8, the Poisson equation is also simplified as shown in equation (2):

2 / ∂x 2 (φ (x)) = ρ (x) / ε = eN (x) / ε (2)

Here, the impurity concentration of the depletion layer = the charge density, and the impurity concentration is a constant value in the depth direction, and calculation is performed as a step junction.

n型のSiC基板1の不純物濃度を1×1018cm-3とし、n型のエピタキシャル成長膜2の膜厚をt1、不純物濃度を8.5×1015cm-3とした。エピタキシャル成長膜2の表面には、深さt2で濃度が1×1017cm-3 のp型半導体層17が形成されている。ここで、膜厚t1を12μm、深さt2を0.8μmとした。図9に、図8に示したpn接合ダイオードの不純物濃度プロファイルを示す。なお、図9の横軸はpn接合と垂直方向の位置を示し、原点はSiC基板1とエピタキシャル成長膜2との境界である。図9中においては、SiC基板1での値を一点鎖線Aで示し、エピタキシャル成長膜2での値を実線Bで示し、p型半導体層17での値を破線Cで示す(以下において同様。)
逆バイアスが印加されたpn接合ダイオードでは、図10に示すように、pn接合部で電界が最大である。不純物濃度が高い場合には空乏層の広がりが少ないので、分配される電位差は少ない。不純物濃度が低い場合には空乏層が広がるので、分配される電位差は大きい。最大電界を同じにしたときに印加電圧を高くできる設計が、高耐圧設計である。
The impurity concentration of the n-type SiC substrate 1 was 1 × 10 18 cm −3 , the thickness of the n-type epitaxial growth film 2 was t1, and the impurity concentration was 8.5 × 10 15 cm −3 . A p-type semiconductor layer 17 having a depth t2 and a concentration of 1 × 10 17 cm −3 is formed on the surface of the epitaxial growth film 2. Here, the film thickness t1 was 12 μm, and the depth t2 was 0.8 μm. FIG. 9 shows an impurity concentration profile of the pn junction diode shown in FIG. 9 indicates the position in the direction perpendicular to the pn junction, and the origin is the boundary between the SiC substrate 1 and the epitaxially grown film 2. In FIG. 9, the value at the SiC substrate 1 is indicated by a one-dot chain line A, the value at the epitaxial growth film 2 is indicated by a solid line B, and the value at the p-type semiconductor layer 17 is indicated by a broken line C (the same applies hereinafter).
In the pn junction diode to which the reverse bias is applied, the electric field is maximum at the pn junction as shown in FIG. When the impurity concentration is high, the depletion layer does not spread so much, and the potential difference to be distributed is small. When the impurity concentration is low, the depletion layer spreads, so that the potential difference to be distributed is large. A design that can increase the applied voltage when the maximum electric field is the same is a high withstand voltage design.

ショットキー電極3に接続されているp型半導体層17は、全体が空乏化している。このため、図10に示すように、空乏層がショットキー電極3まで届き(リーチスルー)、ショットキー電極3の界面で1MV/cm程度の電界が発生している。また、エピタキシャル成長膜2のn型領域も全体が空乏化しているため、空乏層がSiC基板1までリーチスルーし、エピタキシャル成長膜2とSiC基板1との界面に0.65MV/cm程度の電界が発生している。   The p-type semiconductor layer 17 connected to the Schottky electrode 3 is entirely depleted. For this reason, as shown in FIG. 10, the depletion layer reaches the Schottky electrode 3 (reach-through), and an electric field of about 1 MV / cm is generated at the interface of the Schottky electrode 3. Further, since the entire n-type region of the epitaxial growth film 2 is also depleted, the depletion layer reaches through to the SiC substrate 1 and an electric field of about 0.65 MV / cm is generated at the interface between the epitaxial growth film 2 and the SiC substrate 1. doing.

なお、図10におけるn型のエピタキシャル成長膜領域とp型半導体層領域の面積を比較すれば、それぞれの電圧降下を推定できる。図11に示すように、電圧降下の大部分はエピタキシャル成長膜2内で発生しており、SiC基板1での電圧降下は殆ど生じない。厚み0.8μmのp型半導体層17はすべて空乏化し、電極にも電界が存在しているのに対し、SiC基板1の空乏層の幅は0.05μmで、空乏化していない部分には電界はない。   Note that the voltage drop can be estimated by comparing the areas of the n-type epitaxial growth film region and the p-type semiconductor layer region in FIG. As shown in FIG. 11, most of the voltage drop occurs in the epitaxial growth film 2 and almost no voltage drop occurs in the SiC substrate 1. The p-type semiconductor layer 17 having a thickness of 0.8 μm is all depleted and an electric field is also present in the electrodes, whereas the width of the depletion layer of the SiC substrate 1 is 0.05 μm, and an electric field is not present in the undepleted portion. There is no.

上記のように、一次元モデルではpn接合に逆バイアスが印加されるとジャンクションの両端に空乏層が形成され、電界はジャンクション部が最も高くなる。また、空乏化すると電界が発生するが、空乏化していなければ電界は無く、不純物濃度を1×1018cm-3以上にすれば電界を押さえることが出来ることが解る。 As described above, in the one-dimensional model, when a reverse bias is applied to the pn junction, depletion layers are formed at both ends of the junction, and the electric field is highest at the junction. In addition, an electric field is generated when depleted, but if it is not depleted, there is no electric field, and it can be understood that the electric field can be suppressed if the impurity concentration is 1 × 10 18 cm −3 or more.

ここで、図6、図7に示したガードリング構造に関して説明する。主接合部4とエピタキシャル成長膜2の界面はpn接合となるので、逆バイアス印加時の主接合部4とエピタキシャル成長膜2の界面に空乏層が発生する。   Here, the guard ring structure shown in FIGS. 6 and 7 will be described. Since the interface between the main junction 4 and the epitaxial growth film 2 is a pn junction, a depletion layer is generated at the interface between the main junction 4 and the epitaxial growth film 2 when a reverse bias is applied.

主接合部4が逆バイアス印加時に完全に空乏化すると、例えば図10に示したように、ショットキー電極3の界面に電界が発生する。電極3の電界発生は1次元モデルでは問題無いように見える。しかしながら、図10は1次元モデルに関する計算結果なので、電極端31のような端部には対応していない。   When the main junction 4 is completely depleted when a reverse bias is applied, an electric field is generated at the interface of the Schottky electrode 3, for example, as shown in FIG. The electric field generation of the electrode 3 seems to be no problem in the one-dimensional model. However, since FIG. 10 is a calculation result regarding the one-dimensional model, it does not correspond to an end such as the electrode end 31.

電極端31に空乏層が存在する場合には、電極端31に急激な電位勾配と電極3の電極端31以外の場所の数倍以上の電界が発生して、耐圧が低下してしまう。電極端31での電界集中を防止するためには、高濃度のp型半導体からなり、完全な空乏化を防止できるだけの厚みを有する主接合部4を必要とする。   If a depletion layer is present at the electrode end 31, an abrupt potential gradient at the electrode end 31 and an electric field several times greater than that at a location other than the electrode end 31 of the electrode 3 are generated, and the breakdown voltage decreases. In order to prevent electric field concentration at the electrode end 31, a main junction 4 made of a high-concentration p-type semiconductor and having a thickness sufficient to prevent complete depletion is required.

例えば、主接合部4のp型不純物の最大濃度を1.4×1018cm-3 程度とすれば、主接合部4はほとんど空乏化しない。このため、電極端31の電界は零である。ガードリング構造を採用した場合には、ガードリング11aと主接合部4とでp型不純物濃度を同じにすることができる。このため、主接合部4と同時にガードリング11aを形成できる。この場合、ガードリング11aの注入深さは主接合部4の深さと同じである。 For example, if the maximum concentration of the p-type impurity in the main junction 4 is about 1.4 × 10 18 cm −3 , the main junction 4 is hardly depleted. For this reason, the electric field of the electrode end 31 is zero. When the guard ring structure is employed, the p-type impurity concentration can be made the same between the guard ring 11a and the main junction portion 4. For this reason, the guard ring 11 a can be formed simultaneously with the main joint 4. In this case, the injection depth of the guard ring 11a is the same as the depth of the main joint 4.

高濃度の主接合部4を形成することでショットキー電極3の電極端31での電界集中はほぼなくなるが、主接合部4の外側の端部41に電界が集中する。このため、主接合部4の端部41の電界集中を緩和する必要がある。以下に、端部41の電界集中をガードリングによって緩和する方法について説明する。   By forming the high-concentration main junction 4, the electric field concentration at the electrode end 31 of the Schottky electrode 3 is almost eliminated, but the electric field is concentrated at the outer end 41 of the main junction 4. For this reason, it is necessary to alleviate the electric field concentration at the end 41 of the main joint 4. Below, the method of relieving the electric field concentration of the edge part 41 with a guard ring is demonstrated.

pn接合周辺に形成される空乏層は、不純物濃度が高い場合に薄くなり、不純物濃度が低い場合には厚くなる。例えば、主接合部4やガードリング11周辺のn型エピタキシャル成長膜領域には空乏層が広がっており、ガードリング11から広がる空乏層は隣接するガードリング11に達する。   The depletion layer formed around the pn junction is thin when the impurity concentration is high and thick when the impurity concentration is low. For example, a depletion layer extends in the n-type epitaxial growth film region around the main junction 4 and the guard ring 11, and the depletion layer extending from the guard ring 11 reaches the adjacent guard ring 11.

ここで、図12を参照して、ガードリング11aの機能について更に詳しく説明する。各ガードリング11aの低電位側pn接合21では、p層の方が高電位となり空乏層が形成されないので、電界は発生しない。空乏化していないガードリング内では電位差も無い。一方、各ガードリング11aの高電位側pn接合20ではn層の方が高電位なのでn型のエピタキシャル成長膜2内を空乏層が広がり、高電位側のガードリング11aに向かって空乏層が順次連結されながら、裏面電極16との電位差が徐々に減少していく。   Here, the function of the guard ring 11a will be described in more detail with reference to FIG. In the pn junction 21 on the low potential side of each guard ring 11a, the p layer has a higher potential and no depletion layer is formed, so that no electric field is generated. There is no potential difference in the guard ring that is not depleted. On the other hand, since the n layer has a higher potential in the high potential side pn junction 20 of each guard ring 11a, the depletion layer spreads in the n-type epitaxial growth film 2, and the depletion layers are sequentially connected toward the high potential side guard ring 11a. However, the potential difference from the back electrode 16 gradually decreases.

しかし、エピタキシャル成長膜2内を空乏層が大きく広がるため、エピタキシャル成長膜2でリーチスルーが起こりやすい。このため、リサーフ構造に比べて低耐圧になる問題がある。   However, since a depletion layer spreads greatly in the epitaxial growth film 2, reach through is likely to occur in the epitaxial growth film 2. For this reason, there is a problem that the withstand voltage is lower than that of the RESURF structure.

また、上記のようにガードリング11a内の空乏層の広がりはごく僅かであり、ガードリング11a内の空乏化していない部分については電位差がないので、耐圧に貢献せず、無駄な領域である。このため、ガードリング11aを耐圧構造に用いた場合には、多数のガードリング11aを配置する必要からチップの外周領域102の幅dが広くなるので、チップサイズの増大をまねく点も問題である。   Further, as described above, the spread of the depletion layer in the guard ring 11a is very small, and there is no potential difference in the non-depleted portion in the guard ring 11a. For this reason, when the guard ring 11a is used in a pressure-resistant structure, the width d of the outer peripheral region 102 of the chip becomes wide because it is necessary to arrange a large number of guard rings 11a, which also causes an increase in chip size. .

次に、図4、図5に示したリサーフ構造に関して説明する。耐圧構造にリサーフ構造を採用した場合、外周領域102のp型半導体領域は、主接合部4とリサーフ領域5aに分かれる。ガードリング構造の場合と同様に、主接合部4の端部41での電界集中を緩和するために、リサーフ領域5aが配置されている。また、主接合部4の電界集中を緩和するためにも、ガードリング構造と同様に、リサーフ領域5aの注入深さは主接合部4の深さと同程度にする必要がある。リサーフ構造を用いた場合には、リサーフ領域5a内部に適度に空乏層が広がるように注入濃度を設定し、主接合部4からリサーフ領域5aの端部まで連続したp型半導体領域とする。   Next, the RESURF structure shown in FIGS. 4 and 5 will be described. When the RESURF structure is adopted as the breakdown voltage structure, the p-type semiconductor region of the outer peripheral region 102 is divided into the main junction 4 and the RESURF region 5a. As in the case of the guard ring structure, the RESURF region 5a is arranged in order to reduce the electric field concentration at the end portion 41 of the main joint portion 4. Further, in order to alleviate the electric field concentration of the main junction 4, the depth of the RESURF region 5 a needs to be the same as the depth of the main junction 4 as in the guard ring structure. When the RESURF structure is used, the implantation concentration is set so that the depletion layer spreads moderately inside the RESURF region 5a, so that the p-type semiconductor region is continuous from the main junction 4 to the end of the RESURF region 5a.

更に詳細に図4、図5について説明すると、リサーフ領域5aは第1リサーフ領域51a〜第4リサーフ領域54aまで4つの領域に分かれている。第1リサーフ領域51aはリサーフ領域5aの中で不純物濃度が最も高い部分であり、第4リサーフ領域54はリサーフ領域5aの中で最も濃度が低い部分である。   4 and 5 will be described in more detail. The resurf region 5a is divided into four regions from a first resurf region 51a to a fourth resurf region 54a. The first resurf region 51a is the portion with the highest impurity concentration in the resurf region 5a, and the fourth resurf region 54 is the portion with the lowest concentration in the resurf region 5a.

リサーフ領域5aの濃度は、例えば以下の式(3)〜式(5)に表されるようにp型不純物がドープされている:

N2=N1×0.75 ・・・(3)
N3=N1×0.5 ・・・(4)
N4=N1×0.25 ・・・(5)

ここで、N1は第1リサーフ領域51aの不純物濃度、N2は第2リサーフ領域52aの不純物濃度、N3は第3リサーフ領域53aの不純物濃度、N4は第4リサーフ領域54aの不純物濃度である。
The concentration of the RESURF region 5a is doped with a p-type impurity, for example, as expressed in the following formulas (3) to (5):

N2 = N1 × 0.75 (3)
N3 = N1 × 0.5 (4)
N4 = N1 × 0.25 (5)

Here, N1 is the impurity concentration of the first resurf region 51a, N2 is the impurity concentration of the second resurf region 52a, N3 is the impurity concentration of the third resurf region 53a, and N4 is the impurity concentration of the fourth resurf region 54a.

リサーフ領域5aでは空乏層がリサーフ領域全体に広がるため、外周領域102の幅dを縮小でき、ガードリング構造の場合と比べてチップサイズを小さくできる。また、リサーフ領域5aの内部にも空乏層が広がるため、エピタキシャル成長膜2内での空乏層の広がりが抑制される。このため、エピタキシャル成長膜2でリーチスルーが起こりにくく、ガードリング構造と比較して高耐圧の素子設計が可能である。   In the RESURF region 5a, since the depletion layer spreads over the entire RESURF region, the width d of the outer peripheral region 102 can be reduced, and the chip size can be reduced as compared with the guard ring structure. In addition, since the depletion layer spreads inside the resurf region 5a, the spread of the depletion layer in the epitaxial growth film 2 is suppressed. For this reason, reach-through is unlikely to occur in the epitaxially grown film 2, and an element design with a higher breakdown voltage is possible as compared with the guard ring structure.

ところで、Si基板の場合には、注入面積を適宜調節してイオン注入を行った後に900℃程度で加熱することによって、熱拡散による不純物濃度の調整が可能である。しかし、SiC基板の場合には、高温に加熱しても不純物の拡散はほぼ起こらない。このため、イオン注入プロファイルのみでの濃度調整が必要である。   By the way, in the case of a Si substrate, the impurity concentration can be adjusted by thermal diffusion by heating at about 900 ° C. after performing ion implantation by appropriately adjusting the implantation area. However, in the case of a SiC substrate, impurity diffusion hardly occurs even when heated to a high temperature. For this reason, it is necessary to adjust the concentration only with the ion implantation profile.

不純物の熱拡散を利用できないSiC基板1にてリサーフ構造を採用する場合には、高濃度の主接合部4のイオン注入と低濃度のリサーフ領域5のイオン注入を別工程で行う必要がある。また、耐圧構造最適化のためにリサーフ領域5が不純物濃度の異なる複数の領域からなる場合には、リサーフ領域5を形成するために複数回のイオン注入が必要である。これにより、外周領域の幅を更に縮小することが可能であるが、イオン注入の回数が更に増加するといった問題がある。   When the resurf structure is employed in the SiC substrate 1 that cannot use the thermal diffusion of impurities, it is necessary to perform ion implantation of the high concentration main junction 4 and ion implantation of the low concentration resurf region 5 in separate steps. When the resurf region 5 is composed of a plurality of regions having different impurity concentrations for optimizing the withstand voltage structure, a plurality of ion implantations are required to form the resurf region 5. Thereby, the width of the outer peripheral region can be further reduced, but there is a problem that the number of ion implantations further increases.

また、関連技術のガードリング構造では、逆バイアス印加時に、各ガードリングから高電位側に広がった空乏層が隣接するガードリングに接し、ガードリング間が空乏層で連結されることよって電界集中が緩和される。このとき、ガードリング内では空乏層が殆ど広がらないため、高電位側のガードリングが配置された方向にエピタキシャル成長膜内を空乏層を長く広げる必要がある。このとき、エピタキシャル成長膜内をSiC基板方向にも空乏層が広がり、リーチスルーが起こりやすい。このため、関連技術のガードリング構造はリサーフ構造に比べて低耐圧である。
また、一般に、このようなガードリング構造は、半導体素子の耐電圧性能を確実なものとするために比較的高い不純物濃度で形成される。このため半導体素子に高電圧が印加されたときは、ガードリング内に広がる空乏層はごく僅かであるため、チップサイズが増大するなどの問題やガードリングの底端部に強い電界が発生しやすいといった問題がある。
In the related art guard ring structure, when a reverse bias is applied, the depletion layer spreading from each guard ring to the high potential side contacts the adjacent guard ring, and the guard rings are connected by the depletion layer, thereby concentrating the electric field. Alleviated. At this time, since the depletion layer hardly expands in the guard ring, it is necessary to extend the depletion layer long in the epitaxial growth film in the direction in which the guard ring on the high potential side is arranged. At this time, a depletion layer spreads in the epitaxial growth film also in the direction of the SiC substrate, and reach-through is likely to occur. For this reason, the guard ring structure of the related art has a lower withstand voltage than the RESURF structure.
In general, such a guard ring structure is formed with a relatively high impurity concentration in order to ensure the withstand voltage performance of the semiconductor element. For this reason, when a high voltage is applied to the semiconductor element, there are very few depletion layers extending in the guard ring, so that problems such as an increase in chip size and a strong electric field are likely to occur at the bottom end of the guard ring. There is a problem.

しかし、本発明に係る図1に示した半導体装置100では、隣り合うガードリング11の底部を含むように、ガードリング11よりも不純物濃度の低い電界緩和層8を配置してリサーフ領域51〜54を形成している。すなわち、ガードリング構造において強い電界が発生しやすいガードリングの底端部に、ガードリング11よりも不純物濃度の低い電界緩和層8を配置することで、当該箇所の電界集中を緩和している。また、電界緩和層8の不純物濃度はガードリング11よりも低いため、電界緩和層8内にも空乏層が広がり、関連技術のガードリング構造と比較して、外周領域102の幅dを狭くすることができる。これにより、チップサイズの増大を抑制できる。   However, in the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the present invention, the electric field relaxation layer 8 having an impurity concentration lower than that of the guard ring 11 is disposed so as to include the bottom portion of the adjacent guard ring 11, and the RESURF regions 51 to 54. Is forming. In other words, the electric field relaxation layer 8 having an impurity concentration lower than that of the guard ring 11 is disposed at the bottom end of the guard ring where a strong electric field is likely to be generated in the guard ring structure, thereby mitigating the electric field concentration at that location. Further, since the impurity concentration of the electric field relaxation layer 8 is lower than that of the guard ring 11, a depletion layer also extends in the electric field relaxation layer 8, and the width d of the outer peripheral region 102 is narrower than that of the related art guard ring structure. be able to. Thereby, an increase in chip size can be suppressed.

更に、本発明に係る半導体装置100では、素子領域101から離れたリサーフ領域5ほど、リサーフ領域5に含まれるガードリング11の幅が狭く形成されている。このため、関連技術のリサーフ構造のように、不純物濃度の異なる複数の領域をリサーフ領域に形成する必要がない。このため、イオン注入回数の増大を抑制することができる。   Furthermore, in the semiconductor device 100 according to the present invention, the width of the guard ring 11 included in the RESURF region 5 is narrower as the RESURF region 5 farther from the element region 101. For this reason, unlike the RESURF structure of the related art, it is not necessary to form a plurality of regions having different impurity concentrations in the RESURF region. For this reason, an increase in the number of ion implantations can be suppressed.

第2リサーフ領域52〜第3リサーフ領域53におけるガードリング11の幅及びガードリング11間の隙間は、以下の関係を満たすように規定することが好ましい。即ち、X番目のリサーフ領域中のガードリング11の幅DX、及び隣接するガードリング11間の隙間WXが、以下の式(6)、式(7)の関係を満たす:

X=P×NDX/ND1 ・・・(6)
X=P−DX ・・・(7)

ここで、Xは2以上の整数である。Pはガードリング11の配置ピッチ、NDXは素子領域101からX番目のリサーフ領域5の空間変調濃度、ND1は素子領域101に最近接の第1リサーフ領域51の空間変調濃度である。例えば、配置ピッチPを2.5μmとして、以下のように、図1に示した半導体装置100のガードリング11の幅や隙間が設定される。即ち、第1リサーフ領域51のガードリング11の幅D1を2.5μmとする。第2リサーフ領域52のガードリング11の幅D2を1.875μm、ガードリング11間の隙間W2を0.625μmとする。第3リサーフ領域53の幅D3を1.25μm、ガードリング11間の隙間W3を1.25μmとする。
The width of the guard ring 11 and the gap between the guard rings 11 in the second resurf region 52 to the third resurf region 53 are preferably defined so as to satisfy the following relationship. That is, the width D X of the guard ring 11 in the Xth RESURF region and the gap W X between the adjacent guard rings 11 satisfy the relationship of the following expressions (6) and (7):

D X = P × ND X / ND1 (6)
W X = P−D X (7)

Here, X is an integer of 2 or more. P is the arrangement pitch of the guard rings 11, ND X is the spatial modulation concentration of the X-th resurf region 5 from the element region 101, and ND 1 is the spatial modulation concentration of the first resurf region 51 closest to the element region 101. For example, the arrangement pitch P is set to 2.5 μm, and the width and gap of the guard ring 11 of the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 are set as follows. That is, the width D 1 of the guard ring 11 in the first RESURF region 51 is set to 2.5 μm. The width D 2 of the guard ring 11 in the second RESURF region 52 is 1.875 μm, and the gap W 2 between the guard rings 11 is 0.625 μm. The width D 3 of the third resurf region 53 is 1.25 μm, and the gap W 3 between the guard rings 11 is 1.25 μm.

上記のようにガードリング11の幅DX、及び隣接するガードリング11間の隙間WXを規定し、且つ、隣り合うガードリング11の底部を含むように電界緩和層8が配置されることによって主接合部4及びガードリング11を相互に電気的に短絡される。そのため、図4及び図5に示した関連技術のリサーフ構造と同様な空間変調濃度を設定することができる。これにより、イオン注入の回数を抑制しつつ、関連技術のリサーフ構造と同等の耐圧を、同等の外周領域102の幅dで実現できる。 By arranging the electric field relaxation layer 8 so as to define the width D X of the guard ring 11 and the gap W X between the adjacent guard rings 11 and to include the bottom of the adjacent guard rings 11 as described above. The main joint 4 and the guard ring 11 are electrically short-circuited with each other. Therefore, the spatial modulation density similar to the RESURF structure of the related art shown in FIGS. 4 and 5 can be set. Thereby, it is possible to realize a breakdown voltage equivalent to the RESURF structure of the related art with the equivalent width d of the outer peripheral region 102 while suppressing the number of ion implantations.

図13は、電界緩和層8を備えた場合とそうでない場合の外周部における電界と電位の関係を示したものである。図13(a)は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の外周部における電界と電位の関係を示したものである。図13(b)は、電界緩和層8を備えない従来例の外周部における電界と電位の関係を示したものである。
2つの図を比較すると、電位はいずれも1.5kVまで上昇していることがわかる。この場合に、(b)の従来例においては最大電界値が1.6MV/cmであるのに対し、(a)の本発明の実施形態に係る半導体装置100においては、最大電界値が1.5MV/cmと従来例より低い値を示している。また、主接合部4の領域における電界も従来例では1.0MV/cm程度であるのに対し、本発明の実施形態に係る半導体装置100においては0.5MV/cm程度であり、本発明の実施形態に係る半導体装置100の方が低い。
さらに、第1リサーフ領域〜第4リサーフ領域(空間変調部)では、従来例と比較して本発明の実施形態に係る半導体装置100は、電界値の振幅が小さいことからも、電界集中が少なく抑えられていることがわかる。このように、本発明の実施形態に係る半導体装置100では、隣り合うガードリング11の底部を含むように電界緩和層8が配置されることにより、従来例と比較して高耐圧であることがわかる。
FIG. 13 shows the relationship between the electric field and the potential at the outer periphery when the electric field relaxation layer 8 is provided and when it is not. FIG. 13A shows the relationship between the electric field and the potential at the outer periphery of the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention. FIG. 13B shows the relationship between the electric field and the potential in the outer peripheral portion of the conventional example that does not include the electric field relaxation layer 8.
Comparing the two figures, it can be seen that both potentials have risen to 1.5 kV. In this case, in the conventional example of (b), the maximum electric field value is 1.6 MV / cm, whereas in the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention of (a), the maximum electric field value is 1. 5 MV / cm, which is lower than the conventional example. In addition, the electric field in the region of the main junction 4 is about 1.0 MV / cm in the conventional example, whereas in the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention, the electric field is about 0.5 MV / cm. The semiconductor device 100 according to the embodiment is lower.
Further, in the first resurf region to the fourth resurf region (spatial modulation unit), the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention has less electric field concentration than the conventional example because the amplitude of the electric field value is small. You can see that it is suppressed. Thus, in the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention, the electric field relaxation layer 8 is disposed so as to include the bottoms of the adjacent guard rings 11, so that the withstand voltage is higher than that of the conventional example. Recognize.

本発明の実施形態に係る半導体装置100の外周領域102に形成する耐圧構造は、他の同様な耐圧構造を必要とする半導体装置についても適用可能である。例えば、ショットキー接合とpn接合を併設したMPS(Merged PiN Schottoky)構造のダイオードやJBS(Junction-Barrier
Shottky)構造のダイオードに適用でき、MOS−FET(Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect-Transistor)などの耐圧構造にも適用できる。
The breakdown voltage structure formed in the outer peripheral region 102 of the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention can be applied to other semiconductor devices that require a similar breakdown voltage structure. For example, a diode with an MPS (Merged PiN Schottoky) structure with a Schottky junction and a pn junction, or JBS (Junction-Barrier)
It can be applied to a diode with a Shottky structure and is a metal-oxide-semiconductor MOS-FET.
It can also be applied to pressure-resistant structures such as Field-Effect-Transistor.

上記のように、半導体装置100では、関連技術のリサーフ構造と比較して大幅にイオン注入回数を削減することができる。この効果は、外周領域102をより小さく、且つ、よりリサーフ領域の不純物濃度を細かく設定して高品質な半導体装置を製造する場合などに大きい。   As described above, in the semiconductor device 100, the number of ion implantations can be significantly reduced as compared with the RESURF structure of the related art. This effect is significant when manufacturing the high-quality semiconductor device by making the outer peripheral region 102 smaller and setting the impurity concentration of the RESURF region more finely.

上記では、リサーフ領域を第1リサーフ領域51〜第4リサーフ領域54の4つに分割した例を示したが、更に細かくリサーフ領域を分割してもよい。リサーフ領域を細かく分割することにより、リサーフ領域の面積を縮小することができる。或いは、リサーフ領域の面積を変えずにリサーフ領域を更に細かく分割することにより、イオン注入量、エピタキシャル濃度と厚さなどの製造ばらつきを吸収することができる。   In the above example, the RESURF area is divided into four parts, the first RESURF area 51 to the fourth RESURF area 54, but the RESURF area may be further finely divided. By finely dividing the RESURF region, the area of the RESURF region can be reduced. Alternatively, by dividing the RESURF region more finely without changing the area of the RESURF region, it is possible to absorb manufacturing variations such as ion implantation amount, epitaxial concentration and thickness.

<変形例>
図15は、本発明の実施形態に係る変形例を示したものである。本発明の実施形態と比較して、ガードリング11が半導体基体10の表面に達していない点のみが異なり、その他の構成は、本発明の実施形態と同じである。
<Modification>
FIG. 15 shows a modification according to the embodiment of the present invention. Compared to the embodiment of the present invention, the only difference is that the guard ring 11 does not reach the surface of the semiconductor substrate 10, and the other configuration is the same as that of the embodiment of the present invention.

シリコンカーバイト(SiC)基板の場合には高温に加熱しても不純物の拡散はほぼ起こらない。そのため、図1のように、半導体基体10の表面から所定の深さを有するガードリング11を形成する際は、一般的にイオンを多段注入することで形成される。図14は、その一例を示したものであり、縦軸に不純物濃度(cm-3)、横軸にシリコンカーバイト(SiC)基板表面からの深さ(μm)をとったものである。
図14では、半導体基体10の表面より0.1μmから0.8μmの深さで平均不純物濃度を1×1018cm-3としたp型半導体層によってガードリング11を形成する場合の注入段数を示したものである。n型のエピタキシャル成長膜2の不純物濃度が8.5×1015cm-3であれば、ガードリング11のpn接合は1.2μmの深さに存在する。不純物濃度を1×1018cm-3よりも少し高い位置を頂点とする山なりのグラフ4つが示されており、異なる注入エネルギーにより深さ方向に合計4段の注入を行うことで、p型半導体層(ガードリング11)を形成していることがわかる。
In the case of a silicon carbide (SiC) substrate, impurity diffusion hardly occurs even when heated to a high temperature. Therefore, as shown in FIG. 1, when forming the guard ring 11 having a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrate 10, it is generally formed by implanting ions in multiple stages. FIG. 14 shows an example, in which the vertical axis represents the impurity concentration (cm −3 ) and the horizontal axis represents the depth (μm) from the surface of the silicon carbide (SiC) substrate.
In FIG. 14, the number of implantation stages when the guard ring 11 is formed by a p-type semiconductor layer having a depth of 0.1 μm to 0.8 μm from the surface of the semiconductor substrate 10 and an average impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3. It is shown. If the impurity concentration of the n-type epitaxial growth film 2 is 8.5 × 10 15 cm −3 , the pn junction of the guard ring 11 exists at a depth of 1.2 μm. Four mountain-shaped graphs having apex at a position slightly higher than the impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 are shown, and p-type is obtained by implanting a total of four stages in the depth direction with different implantation energies. It can be seen that the semiconductor layer (guard ring 11) is formed.

他方で、図15に示す本発明の実施形態に係る変形例では、ガードリング11が半導体基体10の表面に達しておらず、ガードリング11と半導体基体10の表面の間にはp型半導体層は形成されない。このため、ガードリング11を形成する際に、イオンの注入段数を減らすことができる。例えば、図1の本発明に係る実施形態においては合計4段のイオン注入を行っているのに対し、図15に示す変形例では、半導体基体10の表面側にイオン注入は必要ない。そのため、半導体基体10の表面に近い側の2段の注入を省き、深い側の2段の注入のみとすることができる。すなわち、合計2段の注入とすることが可能である。   On the other hand, in the modification according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 15, the guard ring 11 does not reach the surface of the semiconductor substrate 10, and the p-type semiconductor layer is between the guard ring 11 and the surface of the semiconductor substrate 10. Is not formed. For this reason, when forming the guard ring 11, the number of ion implantation stages can be reduced. For example, in the embodiment according to the present invention shown in FIG. 1, a total of four stages of ion implantation are performed, whereas in the modification shown in FIG. 15, ion implantation is not necessary on the surface side of the semiconductor substrate 10. Therefore, it is possible to omit the two-stage implantation on the side close to the surface of the semiconductor substrate 10 and to perform only the two-stage implantation on the deep side. That is, a total of two stages of injection can be performed.

(その他の実施形態)
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the embodiments. However, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

例えば、上記ではガードリング11のピッチが外周領域102の全面に渡って略同一である例を示したが、リサーフ領域毎にガードリング11のピッチを変えてもよい。また、SiC基板1がn型基板である場合を例示的に説明したが、SiC基板1にp型基板を使用し、主接合部4やガードリング11、電界緩和層8にn型半導体を使用して半導体装置100を構成する場合にも、本発明は適用可能である。   For example, although the example in which the pitch of the guard ring 11 is substantially the same over the entire surface of the outer peripheral region 102 has been described above, the pitch of the guard ring 11 may be changed for each RESURF region. Further, the case where the SiC substrate 1 is an n-type substrate has been described as an example, but a p-type substrate is used for the SiC substrate 1, and an n-type semiconductor is used for the main junction 4, the guard ring 11, and the electric field relaxation layer 8. The present invention can also be applied to the case where the semiconductor device 100 is configured.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。   As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

1…SiC基板
2…エピタキシャル成長膜
3…ショットキー電極
4…主接合部
5…リサーフ領域
7…チップ端
8…電界緩和層
9…酸化膜
10…半導体基体
11…ガードリング
16…裏面電極
17…p型半導体層
20…高電位側pn接合
21…低電位側pn接合
31…電極端
41…端部
51…第1リサーフ領域
52…第2リサーフ領域
53…第3リサーフ領域
54…第4リサーフ領域
100…半導体装置
101…素子領域
102…外周領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SiC substrate 2 ... Epitaxial growth film 3 ... Schottky electrode 4 ... Main junction 5 ... RESURF region 7 ... Chip edge 8 ... Electric field relaxation layer 9 ... Oxide film 10 ... Semiconductor substrate 11 ... Guard ring 16 ... Back electrode 17 ... p Type semiconductor layer 20 ... High potential side pn junction 21 ... Low potential side pn junction 31 ... Electrode end 41 ... End portion 51 ... First resurf region 52 ... Second resurf region 53 ... Third resurf region 54 ... Fourth resurf region 100 ... Semiconductor device 101 ... Element region 102 ... Outer peripheral region

Claims (6)

素子領域及び前記素子領域の周囲を囲む外周領域が主面に定義された第1導電型の半導体基体と、
前記外周領域に前記素子領域の周囲を囲むように形成される第2導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の底部を含む深さに形成され、前記半導体基体の外周に向かって延伸する前記第1半導体領域の不純物濃度よりも低い濃度の第2導電型の第2半導体領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate of a first conductivity type in which an outer peripheral region surrounding the element region and the periphery of the element region is defined as a main surface;
A first semiconductor region of a second conductivity type formed in the outer peripheral region so as to surround the periphery of the element region;
A second conductivity type second semiconductor region formed at a depth including the bottom of the first semiconductor region and having a concentration lower than the impurity concentration of the first semiconductor region extending toward the outer periphery of the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising:
前記第1半導体領域が複数形成されており、前記第2半導体領域の外周側の端部は、前記第1半導体領域よりも前記半導体基体の外周端に近い位置に形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   A plurality of the first semiconductor regions are formed, and an end portion on the outer peripheral side of the second semiconductor region is formed at a position closer to the outer peripheral end of the semiconductor substrate than the first semiconductor region. The semiconductor device according to claim 1. 前記第1半導体領域が複数形成されており、前記半導体基体の外周に向かって、前記第1半導体領域の幅が小さくなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the first semiconductor regions are formed, and a width of the first semiconductor region decreases toward an outer periphery of the semiconductor substrate. 前記第1半導体領域が複数形成されており、前記半導体基体の外周に向かって、隣り合う前記第1半導体領域の間隔が広くなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 4. The device according to claim 1, wherein a plurality of the first semiconductor regions are formed, and an interval between the adjacent first semiconductor regions increases toward the outer periphery of the semiconductor substrate. Semiconductor device. 前記第2半導体領域は、第1の領域と第2の領域を含み、前記第1の領域と前記第2の領域に前記第1半導体領域が複数形成されており、各領域内における前記第1半導体領域の間隔は略同一であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The second semiconductor region includes a first region and a second region, and a plurality of the first semiconductor regions are formed in the first region and the second region, and the first semiconductor region is formed in each region. The semiconductor device according to claim 1, wherein the intervals between the semiconductor regions are substantially the same. 前記第1半導体領域が、前記半導体基体の主面に達しないことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region does not reach a main surface of the semiconductor substrate.
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