JP4844371B2 - 縦型超接合半導体素子 - Google Patents
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Description
なお本発明の発明者らは、オン状態では電流を流すとともに、オフ状態では空乏化する並列pn層からなるドリフト層を備える半導体素子を超接合半導体素子と称することとした。
以上のような状況に鑑み本発明の目的は、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に緩和させて、高耐圧でありながらオン抵抗の低減による電流容量の増大が可能な超接合半導体素子、およびその簡易で量産性良く製造し得る製造方法を提供することにある。
また、第二導電型領域が高抵抗層によって低抵抗層から分離されていることとしてもよい。
また、第一の主面側に少なくとも1つの第二導電型のベース領域と、少なくとも1つの第一導電型の表面領域と、ベース領域内の第一導電型のソース領域と、ソース領域と表面領域との間のベース領域表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有し、前記表面領域の不純物濃度が第一導電型領域の不純物濃度より高いこととする。
これらのようにすれば、オフ状態では半導体基体領域を空乏化させられるので、並列pn層からなる半導体基体領域の不純物濃度を高めることができて、オン状態でのオン抵抗を低減できる。
従って、次の効果を奏する。
高抵抗層が電位分担をするので、その分耐圧を高めることができる。また、並列pn層からなる半導体基体領域の空乏化を容易にして、それらの領域の不純物濃度の高濃度化を可能にしたこと、およびそのことにより並列pn層からなる半導体基体領域の厚さを薄くできることにより、例えば実施例に示した80%減というようなオン電圧の大幅な低減、オン電圧と耐圧とのトレードオフ特性の改善を可能にした。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1に係る縦型の超接合MOSFETの部分断面図、図2(a)は、図1中のA−A線に沿って切断した状態を示す平面図、図2(b)は、図1中のB−B線に沿って切断した状態を示す平面図である。
本実施例1の超接合MOSFETと、例えば図20に示した従来の超接合MOSFETとの違いは、特にドリフト層32の形成方法およびその結果としてのドリフト層32の構造にある。すなわち、ドリフト層32のn埋め込み領域32bとp埋め込み領域32cとが不純物の拡散により形成されているため、ドリフト層32内に拡散にともなう不純物濃度分布を有する点である。
n+ ドレイン層31となる低抵抗のn型のサブストレート上に、エピタキシャル法によりn- 高抵抗層32aを成長させる[図4(a)]。この厚さをl0 とする。本実施例ではl0 を4μmとした。
次いでフォトレジストのマスクパターン4を形成し、燐(以下Pと記す)イオン5を注入する[同図(c)]。加速電圧は50keV、ドーズ量は1×1013cm-2とする。6は注入されたP原子である。
熱処理して注入された不純物を拡散させ、n埋め込み領域32bとp埋め込み領域32cとを形成する[図5(a)]。本実施例の場合1150℃、5時間の熱処理をおこなった。この熱処理により、不純物は約3μm拡散し、n埋め込み領域32bとp埋め込み領域32cとがそれぞれ接続した。イオン注入時のマスクの形状および不純物のドーズ量および熱処理時間によって、最終的な埋め込み領域32b、32cの形状は変えられる。
この後、熱酸化によりゲート絶縁膜35を形成し、減圧CVD法により多結晶シリコン膜を堆積し、フォトリソグラフィによりゲート電極層36とする。更に絶縁膜39を堆積し、フォトリソグラフィにより窓開けをおこない、アルミニウム合金の堆積、パターン形成によりソース電極37、ドレイン電極38および図示されないゲート電極の形成を経て図1のような縦型MOSFETが完成する。
図6は、本発明の実施例1の超接合MOSFETの変形例の部分断面図である。これは、図4(d)の不純物イオン注入およびエピタキシャル成長後の熱処理時間を長時間おこなったものである。熱処理時間を長くしたため、n- 高抵抗層32aは消滅して隣接するn埋め込み領域32bとp埋め込み領域32cとがほぼ全面で接し、その境界はほぼ平面になっている。そのため断面図においてはn埋め込み領域32bとp埋め込み領域32cとの境界は直線として表される。
いずれの配置を採用した場合でも、拡散のための熱処理時間を長くすれば、n埋め込み領域32bとp埋め込み領域32cとの接触する面積が次第に増して行き、n- 高抵抗層32aは次第に少なくなって、遂には消滅する。
[実施例2]
図13は、本発明の実施例2にかかる超接合MOSFETの部分断面図である。
実施例1の超接合MOSFETのように、n埋め込み領域とp埋め込み領域とのための不純物導入を必ずしも同じ深さに形成しなければならない訳ではなく、本実施例のようにn埋め込み領域42bとp埋め込み領域42cとを別の深さに形成しても良い。
平面的なパターンとしては、実施例1と同様にストライプ状、格子状、分散配置等とすることができる。以後の実施例でも同様である。
[実施例3]
図14は、本発明の実施例3にかかるトレンチゲートを持つ超接合UMOSFETの部分断面図である。
n埋め込み領域52b、p埋め込み領域52cは容易に空乏化されるため、不純物濃度を高くできることと、そのことによりドリフト層52の厚さを薄くできることにより、オン電圧の大幅な低減、オン電圧と耐圧とのトレードオフ特性の改善が可能となる。そして、エピタキシャル成長と不純物の拡散という極く一般的な方法で、容易にオン抵抗と耐圧とのトレードオフ特性が改善された超接合UMOSFETを製造できる。
[実施例4]
図15は、本発明の実施例4にかかる超接合IGBTの部分断面図である。
p+ ドレイン層61aは低抵抗のp型サブストレートを使用し、その上にn+ バッファ層61bとなるエピタキシャル層、更にドレイン層62をエピタキシャル成長と不純物の拡散により形成すれば良い。
[実施例5]
図16は、本発明の実施例5にかかる超接合ダイオードの部分断面図である。
本実施例5の超接合ダイオードにおいても、n埋め込み領域72b、p埋め込み領域72cは実施例1とほぼ同じディメンジョンと不純物濃度を持ち、逆バイアス電圧の印加に際して、ドリフト層72が空乏化して耐圧を負担するものである。
製造方法は、図4(a)〜(d)までを実施例1と同様におこなった後、イオン注入および拡散によるp+ アノード層73の形成、カソード電極77、アノード電極78の形成をおこなう。
[実施例6]
図17は、本発明の実施例6にかかる超接合ダイオードの部分断面図である。
図16の超接合ダイオードとの違いは、ドリフト層82である。ドリフト層82は、n- 高抵抗層82a、n埋め込み領域82b、p埋め込み領域82cとからなるが、その不純物濃度の最も高い面が、n+ カソード層81、p+ アノード層83に接している。このような構造とすることもできる。
実施例5の超接合ダイオードと同様にオン電圧の大幅な低減、オン電圧と耐圧とのトレードオフの改善が可能となる。
[実施例7]
図18は、本発明の実施例7にかかる超接合ショットキーダイオードの部分断面図である。
図18において、91は低抵抗のn+ カソード層、92は、n- 高抵抗層92a、n埋め込み領域92b、p埋め込み領域92cからなるドリフト層である。表面層には、n- 高抵抗層92aが残され、一部p埋め込み領域92cが露出していて、n- 高抵抗層92aとショツトキーバリアを形成するショットキー電極98が設けられる。n+ カソード層91の裏面側に接触してカソード電極97が設けられている。
n埋め込み領域92b、p埋め込み領域92cは容易に空乏化されるため、不純物濃度を高くできることと、そのことによりドリフト層92の厚さを薄くできることにより、オン電圧の大幅な低減、オン電圧と耐圧とのトレードオフ特性の改善が可能となる。
このように極めて一般的な技術であるエピタキシャル成長と不純物の拡散により、容易に高耐圧、低オン電圧の超接合ショットキーダイオードを製造できる。
2 ほう素イオン
3 ほう素原子
5 燐イオン
6 燐原子
11、21、31、41、51 n+ ドレイン層
12 n- ドリフト層
13a、23a、33a、43a、53a pベース領域
14、24、34、44、54 n+ ソース領域
15、25、35、45、55 ゲート絶縁膜
16、26、36、46、56 ゲート電極層
17、27、37、47、57 ソース電極
18、28、38、48、58 ドレイン電極
22 ドリフト層
22a nドリフト領域
22b pドリフト領域
32、42、52、62、72、82、92 半導体基体領域またはドリフト層
32a、42a、52a、62a、72a、82a、92a n- 高抵抗層
32b、42b、52b、62b、72b、82b、92b n埋め込み領域
32c、42c、52c、62c、72c、82c、92c p埋め込み領域
32d、42d nチャネル領域
33b、43b、53b p+ ウェル領域
39、59 絶縁膜
61a p+ ドレイン層
61b n+ バッファ層
71、81、91 n+ カソード層
73、83 アノード層
77、97 カソード電極
78 アノード電極
98 ショットキー電極
Claims (5)
- 第一と第二の主面と、第一と第二の主面間に第一導電型の低抵抗層と、オン状態では電流が流れ、オフ状態では空乏化する第一導電型領域と第二導電型領域とを第一の主面側からみた主面平行方向で交互に接するように配置した並列pn層からなる半導体基体領域とを備え、前記第一と第二の主面間で、第一の主面側を前記半導体基体領域、第二の主面側を前記低抵抗層とした縦型超接合半導体素子において、前記半導体基体領域の第一導電型領域と第二導電型領域のそれぞれが、イオン注入で導入された不純物の熱拡散により、半導体基体領域の深さ方向に所定の深さで周期的に形成した複数の第一導電型の第一埋め込み領域を接続して形成されたものと、半導体基体領域の深さ方向に所定の深さで周期的に形成した複数の第二導電型の第二埋め込み領域を接続して形成されたものとであり、前記並列pn層からなる半導体基体領域と低抵抗層との間に、該低抵抗層と同じ導電型でかつ不純物濃度の低い高抵抗層を有することを特徴とする縦型超接合半導体素子。
- 第一導電型領域が高抵抗層によって低抵抗層に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の縦型超接合半導体素子。
- 第二導電型領域が高抵抗層によって低抵抗層から分離されていることを特徴とする請求項1に記載の縦型超接合半導体素子。
- 第一の主面側に少なくとも1つの第二導電型のベース領域と、少なくとも1つの第一導電型の表面領域と、ベース領域内の第一導電型のソース領域と、ソース領域と表面領域との間のベース領域表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を有し、前記表面領域の不純物濃度が第一導電型領域の不純物濃度より高いことを特徴とする請求項1に記載の縦型超接合半導体素子。
- ベース領域の表面に高不純物濃度の第二導電型ウエル領域を有することを特徴とする請求項4に記載の縦型超接合半導体素子。
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