JP5011612B2

JP5011612B2 - Semiconductor device

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Publication number: JP5011612B2
Application number: JP2001176500A
Authority: JP
Inventors: 小林　　孝; 龍彦藤平; 和阿部; 康新村; 正範井上
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP2003008014A; TW544932B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属（Ｍ）−酸化膜（Ｏ）−半導体層（Ｓ）のゲート構造をもつＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下ＭＯＳＦＥＴと記す）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと記す）等の半導体装置、特に半導体基板の両面に設けられた電極間に電流が流れる縦型で高耐圧、低損失の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、パワー半導体素子には半導体基板の両面に設けられた電極間に電流が流れる縦型半導体が多用されている。図３６は従来のプレーナー型のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの一例の、主電流の流れる活性部の断面図である。
この縦型ＭＯＳＦＥＴではドレイン電極２０が導電接合した低抵抗のｎ⁺ドレイン層１１の上に電圧支持層となる高比抵抗のｎ^-ドリフト層１２が配置され、そのｎ^-ドリフト層１２の上に選択的にｐウェル領域１３が配置され、そのｐウェル領域１３内部の表面層に選択的にｎ⁺ソース領域１５が形成されている。
【０００３】
ｎ⁺ソース領域１５とｎ^-ドリフト層１２の表面露出部分１４（以下ｎ^-表面領域と呼ぶ）とに挟まれたｐウェル領域１３の表面上にゲート絶縁膜１７を介してゲート電極１８が設けられ、ｎ⁺ソース領域１５とｐウェル領域１３との表面に共通に接触してソース電極１９が設けられている。
上記デバイス内のｐウェル領域１３のソース電極１９と接触する表面にソース電極１９との接触抵抗を低減させ、或いはラッチアップ耐量向上の為にｐ⁺コンタクト領域２１が設けられる場合もある。
【０００４】
図３６のＭＯＳＦＥＴのドレイン電極２０が導電接合しているｎ⁺ドレイン層１１を低抵抗のｐ⁺ドレイン層に変えるとプレーナー型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴとなる。その際に、その上の電圧支持層となる高比抵抗のｎ^-ドリフト層１２から上は図３６のＭＯＳＦＥＴと全く同じ構成でよい。
ＩＧＢＴの動作は、ゲート電極への信号によりドレイン電極からソース電極へ流れる電流が制御される点では同じであるが、ＭＯＳＦＥＴがユニポーラ型の素子であるのに対し、ＩＧＢＴはバイポーラ型の素子であり、電流を流した際（オン状態）の電圧降下が小さくなる。
【０００５】
このような縦型ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴにおける、オン状態でのオン抵抗（＝電圧降下／電流）は素子内部の電流経路の抵抗の総和として表すことが可能であるが、特に高耐圧素子のオン抵抗では高比抵抗のｎ^-ドリフト層１２の部分の抵抗が支配的になる。
ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴの損失を下げる為にはこのｎ^-ドリフト層１２の比抵抗を下げたり、厚さを薄くしたりすることが有効である。しかし、オフ状態の時にはこのｎ^-ドリフト層１２が空乏化して電圧支持層となる為、抵抗値を下げるためにｎ^-ドリフト層１２の不純物濃度を高くして比抵抗を下げたり、厚さを薄くしたりすると、耐圧低下が起きてしまう。
【０００６】
逆に耐圧の高い半導体装置ではｎ^-ドリフト層１２を厚くしなければならないため、必然的にオン抵抗が高くなり、損失が大きくなる。
すなわちオン抵抗と耐圧の間にはトレードオフ関係がある。このトレードオフ関係はＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴだけでなく、バイポーラトランジスタ、ダイオード等のパワー半導体素子に於いても、程度の差はあれ同様に成立することが知られている。
【０００７】
また、従来の上記のようなデバイスのｐウェル領域１３は、一般的にゲート電極層１８をマスクにして不純物を導入して形成されるため、その平面形状はほぼゲート電極層１８の反転形状になる。図３７、図３８は、従来デバイスのゲート電極１８のパターンの例を示す平面図である。
図３７は、ゲート電極１８の窓あけ形状が四角形の例であり、例えば特公平７−８３１２３号公報等に開示されている。ｐウェル領域１３は、ゲート電極１８の窓を通じた不純物導入により形成されるため、その平面形状は四角形となる。ｎ⁺ソース領域はゲート電極１８の窓を一方の端とした不純物導入により四角環状に形成される。図３７のゲート電極１８の窓内部には、ｐウェル領域１３及びｎ⁺ソース領域と接触して設けられるソース電極の接触領域２４が示されている。ソース電極接触領域２４も相似の四角形とされる。
【０００８】
図３８はゲート電極１８の窓あけ形状が六角形の例であり、例えばＵＳＰ４，５９３，３０２等に開示されている。この場合もｐウェル領域１３の平面形状は六角形となる。ソース電極接触領域２４も相似の六角形とされる。
一方、ＭＯＳ型半導体装置の耐圧を担う耐圧構造については、一般的に活性領域の周囲にガードリング構造や、フィールドプレート構造、或いは抵抗性膜＋フィールドプレート構造等が設けられていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし一般的に耐圧は、何れの耐圧構造の場合も使用した半導体基板および耐圧構造から計算される理想的耐圧の９０％以下の値しか実現できていない。
そのため、目標とされる耐圧を実現するには、半導体基板の厚さを厚くし、或いは余裕度をもった耐圧構造を使用する必要があり、低オン抵抗を要求されるデバイスにおいても、オン抵抗の増大を避けられなかった。
【００１０】
構造から計算される耐圧のおよそ９０％以下の値しか実現できない理由の一つは活性部の平面的な配置方法に問題があるためであり、もう一つは耐圧構造部が最適化されておらず、活性部より先に耐圧構造部でブレークダウンしてしまうためである。それぞれについて以下にもう少し詳しく説明する。
先ず、活性領域については、ｐウェル領域１３の形状が図３７、図３８のような場合、各ｐウェル領域１３はｎ^-ドリフト層１２のｎ^-ドリフト表面部１４に囲まれた形状となっている。言い換えると、ｎ^-ドリフト表面部１４に対してｐウェル領域１３が凸型を形成していることから、その間のｐｎ接合部分の電界強度が形状効果によって高くなり、本来ｎ^-ドリフト層１２とｐウェル領域１３との不純物濃度で決まる耐圧よりも低い耐圧となってしまう。
【００１１】
このことから、耐圧を確保するためにはｎ^-ドリフト層１２の不純物濃度を低くする必要があり、それが更にオン抵抗を増加させる一因となっていた。
このｐウェル領域１３の形状効果による耐圧低下を抑制する一つの方法として、例えばＵＳＰ５，７２３，８９０ではゲート電極の主要部分を一方向に延びたストライプ状とする方法がおこなわれている。
【００１２】
図３９は、そのゲート電極１８のパターンを示す平面図である。この場合、ｐウェル領域１３の主要部分の平面形状もストライプ状となる。コンタクト領域２４もストライプ状とされる。
しかし、このゲート電極１８をストライプ状としたＭＯＳＦＥＴにおいても問題が無いわけではない。
【００１３】
従来の四角形や六角形の窓を持つゲート電極の場合、ゲート電極への制御信号はゲート電極の形状がネットワーク的に作用するため、そのゲート抵抗は低く抑えられていた。しかし、ゲート電極１８をストライプ状とした場合、ゲート電極への制御信号は、ストライプの両端からのみの一方向経路しか無いためゲート抵抗は増加してしまい、後述するスイッチング損失の増大を招くことになった。
【００１４】
ＭＯＳＦＥＴの損失低減には、先に述べたオン抵抗によるオン状態の損失低減と共に、スイッチング時の損失低減も必要である。一般的にスイッチング時の損失低減には、スイッチング時間の短縮、特に素子がオン状態からオフ状態に変わる際のスイッチング時間を短縮することが重要である。
縦型ＭＯＳＦＥＴのスイッチング時間を短縮するためには、図３６のｎ^-表面領域１４とゲート絶縁膜１７を介して対向しているゲート電極１８との間で構成される容量Ｃｒｓｓを低減させることが必要である。そして、それにはｐウェル領域１３に挟まれたｎ^-表面領域１４の幅を小さくすることが有効である。
【００１５】
しかし、ｐウェル領域１３に挟まれたｎ^-表面領域１４の幅を小さくすると、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗成分の一つである、接合型電界効果トランジスタ作用による抵抗成分（以下ＪＦＥＴ抵抗と記す）が大きくなり、オン抵抗が高くなってしまう。
このＪＦＥＴ抵抗が高くなる問題の解決法の一つとして、例えばＵＳＰ４，５９３，３０２に開示されているカウンタードープ法がある。確かにその技術を用いて、オン抵抗の増加を抑制することができるが、ＪＦＥＴ抵抗を少しでも下げるためｎ^-表面領域１４の幅を大きくすると耐圧低下に繋がってしまう。この耐圧低下を避けるには、逆にカウンタードープの量を少なくする必要があり、結果的にＪＦＥＴ抵抗の増加抑制効果が小さくなるという堂々巡りに陥ってしまう問題がある。
【００１６】
また、スイッチング損失低減のためには、上記Ｃｒｓｓの低減以外にゲート駆動電荷量Ｑｇの低減も有効である。ＱｇはＭＯＳ型デバイスの入力容量Ｃｉｓｓに対するゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが０(V) から駆動電圧Ｖ１(V) までの充電電荷量として計算され次式で表される。
【００１７】
【数１】

上式からＣｉｓｓを低減することが、Ｑｇの低減につながることがわかる。
【００１８】
ＭＯＳ型デバイスでのＣｉｓｓは端子間容量で下式で表される。
【００１９】
【数２】
Ｃｉｓｓ＝Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ
ここで、Ｃｇｓはゲート・ソース間容量、Ｃｇｄはゲート・ドレイン間容量（＝Ｃｒｓｓ）である。
【００２０】
Ｃｒｓｓの低減には、先に記したカウンタードープによるＪＦＥＴ抵抗の低減による解決策の他に、別の解決策もある。図４０は別の解決策を取ったＭＯＳＦＥＴの断面図である。ｎ^-表面領域１４と対向するゲート絶縁膜１７の一部に厚いゲート絶縁膜２５を設けて、Ｃｒｓｓの低下を図っている。
しかしこの場合は、ゲート絶縁膜１７と厚いゲート絶縁膜２５の絶縁膜に段差が生じるため、段差部分の電界強度が高くなり耐圧低下を起こす問題がある。
【００２１】
更にＣｇｓの低減には、ゲート電極１８の面積を小さくする方法が考えられるが、例えば図３９に示すストライプ状ゲート電極の場合、ゲート電極の幅を細くすると、前述のデバイス内部のゲート抵抗が増加してスイッチング損失が増加する。
一方、耐圧構造部については、電圧支持層であるｎ^-ドリフト層１２上に配置されたソース電極１９と同じ電位のｐウェル領域１３の最外周部において、ｐウェル領域１３とｎ^-ドリフト層１２との間のｐｎ接合が曲率を持っているため、電圧印加時にこの曲率部分の電界強度が平面接合の場合より増大し、耐圧支持層の構造から計算される耐圧より低い印加電圧で臨界電界強度に到達し、ブレークダウンするのである。
【００２２】
以上のような種々の問題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改善し、高耐圧でありながらオン抵抗の低減をはかり、更にスイッチング損失の低減も同時に実現可能な半導体素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、第一もしくは第二導電型の低抵抗層と、その低抵抗層上に配置された少なくとも第一導電形半導体領域を含む電圧支持層と、電圧支持層の表面層に配置された第二導電型ウェル領域と、その第二導電型ウェル領域の表面層に配置された第一導電型ソース領域と、電圧支持層が第二導電型ウェル領域に囲まれて表面に達している部分である第一導電型表面領域と第一導電型ソース領域とに挟まれた第二導電型ウェル領域の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、第一導電型ソース領域と第二導電型ウェル領域との表面に共通に接触して設けられたソース電極と、前記低抵抗層の裏面側に設けられたドレイン電極とを有するＭＯＳ型半導体装置において、次のような手段を取る。
【００２４】
まず、電圧支持層が表面に達している部分である第一導電型表面領域が第二導電型ウェル領域に囲まれているものとする。
そのようにすれば、第二導電形ウェル領域が第一導電形表面領域に囲まれて配置された構造の従来のデバイスと異なり、第二導電形ウェル領域の形状効果による電界の強度の増加を抑制することが可能となり、電圧支持層を低抵抗化しても高い耐圧が確保できるようになる。そして電圧支持層を低抵抗化すれば、低オン抵抗化が実現出来る。
【００２５】
更に前記半導体表面におけるＭＯＳ構造を備えた第一導電形ソース領域を含めた第二導電形ウェル領域の表面積に対する前記第二導電形ウェルに囲まれて配置された第一導電形表面領域の面積比率を小さくすることによって、第一導電形表面領域とゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極との間で構成される容量Ｃｒｓｓを低減することが可能となる。しかし、前記半導体表面の第一導電型表面領域の面積比率を小さくすると、先に説明したようにオン抵抗が高くなる。
【００２６】
この第一導電形表面領域の面積比率を変えた試作デバイスについての、その面積比率と先に記したゲート・ドレイン間容量Ｃｒｓｓおよびオン抵抗Ｒonとの関係を図６に示す。横軸は第一導電形ソース領域を含めた第二導電形ウェル領域の表面積に対する第一導電形表面領域の面積比率、縦軸はＣｒｓｓおよびＲonである。なおこの試作実験は、後述する実施例１のタイプの活性領域の面積を約１６mm²としたｎチャネルＭＯＳＦＥＴについておこなったものである。第一導電形表面領域の長さは３．６mmである。
【００２７】
図６よりＣｒｓｓは第一導電形表面領域の面積比率に比例して大きくなることがわかる。従って、面積比率はできるだけ小さい方が望ましく、Ｃｒｓｓを実デバイスで許容できる１５pF以下とするには、面積比率を０．２３以下とする必要がある。
一方Ｒonは、第一導電形表面領域の面積比率が０．１５ないし０．２で最小となる。面積比率が０．２より大きくなると緩やかに増大していくが、逆に０．１５よりも小さくなると、急速に増大している。従って、Ｒonを実デバイスで許容出来うる最小値の２倍以下に抑えるためには、面積比率を０．０１以上とする必要がある。
【００２８】
これらを総合して面積比率は、０．０１〜０．２の範囲とすることが望ましい。そうすれば、低オン抵抗と低Ｃｒｓｓを兼ね備えたデバイスが実現できる。
次に、表面における第一導電型表面領域の形状が、幅に対して長さの長いストライプ状をなすものとする。
そのようにしてもまた、ストライプ状の第一導電型表面領域が第二導電型ウェル領域に囲まれているので、従来のデバイスのような第二導電型ウェル領域が第一導電型表面領域に囲まれて配置された構造と異なり、第二導電型ウェル領域の形状効果による電界の強度の増加を抑制することが可能となり、電圧支持層を低抵抗化しても高い耐圧が確保できるようになる。
【００２９】
更に、前記半導体表面における前記ストライプ状の第一導電型表面領域の主たる部分の幅を０．１〜２μm の範囲とする。
第一導電型表面領域のストライプの幅を小さくすることによって、第一導電形表面領域とゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極との間で構成される容量Ｃｒｓｓを低減することが可能となる。しかし、同時にオン抵抗が高くなる。
【００３０】
第一導電形表面領域の幅を変えた試作デバイスについての、第一導電形表面領域の幅とＣｒｓｓおよびオン抵抗Ｒonとの関係を図７に示す。横軸は第一導電形表面領域の幅、縦軸はＣｒｓｓおよびＲonである。第一導電形表面領域の長さは３．６mmとした。
図７よりＣｒｓｓは第一導電形表面領域の幅に比例して大きくなることがわかる。従って、幅はできるだけ小さいほうが望ましく、Ｃｒｓｓを実デバイスで許容できる１５pF以下とするには、幅を約３μm 以下とする必要がある。
【００３１】
一方Ｒonは、第一導電型表面領域の幅が１．５ないし２μm で最小となる。幅が２．５μm より大きくなると緩やかに増大しているが、逆に１μm よりも小さくなると、急速に増大している。従って、Ｒonを実デバイスで許容出来うる最小値の２倍以下に抑えるためには、幅を０．１μm 以上とする必要がある。
このようにドレイン領域が短い範囲ではオン抵抗とＣｒｓｓはトレードオフの関係にある。実使用上低オン抵抗で低Ｃｒｓｓを両立するにはＣｒｓｓが１５ｐＦ以下でオン抵抗が１．５Ω以下が望ましいことから第一導電型表面領域の幅は０．１μm 以上、２μm 以下の範囲に限定される。そうして小さいＣｒｓｓが実現できれば、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００３２】
また、ストライプ状の第一導電型表面領域の主たる部分の幅が広がると表面での電界強度が高くなり耐圧が低下する。一方、上記表面ドレイン領域の主たる部分の幅が狭くなるとＪＦＥＴ抵抗が増加してオン抵抗が高くなるが、上のように最適の寸法範囲を限定することで耐圧が低下せず、オン抵抗が高くならないデバイスが可能となる。
【００３３】
ストライプ状の第一導電型表面領域の場合にも、第二導電形ウェル領域と第一導電形ソース領域との表面積の和に対する前記第二導電形ウェル領域に囲まれて配置された第一導電形表面領域の面積比率を小さくすることによって、第一導電形表面領域とゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極との間で構成される容量Ｃｒｓｓを低減することが可能となる。同時にオン抵抗が増大するが、先に述べたように第一導電型表面領域の面積比率の範囲を限定することで、耐圧の低下が起きずに、オン抵抗の増加が許容範囲内で、Ｃｒｓｓも小さく抑えることが出来るデバイスが可能となる。
【００３４】
いくつかの手段を１つのデバイス内で満足する構造とすることでより性能の向上するデバイスが可能となる。
ストライプ状の第一導電型表面領域の長さが長くなると、同一面積でのチャネル幅が広がることからオン抵抗が低くなるが、一方でデバイス内部のゲート抵抗が高くなり、このことでスイッチング時間が遅くなり、スイッチング損失が増加する。
【００３５】
逆に第一導電型表面領域の長さ方向の途中にゲート電極を設ける等して、長さを短くすると、デバイス内部のゲート抵抗は小さくなりスイッチング時間が短くなることでスイッチング損失が低減するものの、同一面積でのチャネル幅が狭くなることからオン抵抗が高くなる。
つまり第一導電型表面領域の長さを適当な範囲に限定することが重要である。
【００３６】
第一導電形表面領域の長さを変えた試作デバイスについての、第一導電形表面領域の長さとスイッチング時間を支配する入力容量Ｃｉｓｓおよびオン抵抗Ｒonとの関係を図８、９、１０、１１に示す。横軸は第一導電形表面領域の長さ、縦軸はＣｉｓｓまたはＲonである。第一導電形表面領域の幅１．６μm 、表面積比率は０．１２とした。
【００３７】
図８において、第一導電形表面領域の長さが５００μm 以上になるとＣｉｓｓは殆ど変わらない値となるが、５００μm 以下では徐々に増加を示している。
図９は図８の中の第一導電形表面領域の長さが４００μm 以下の部分を拡大した特性図である。図９からＣｉｓｓは１００μm 以下になると急激に増大することがわかる。このことから、スイッチング時間を短くするためにはｎ^-表面領域の１方向に沿った長さは１００μm 以上、望ましくは５００μｍ以上に限定されるべきであることがわかる。
【００３８】
次にオン抵抗との関係を図１０と図１１に示す。図１０に見られるように第一導電形表面領域の長さが５００μｍ以上になるとオン抵抗は殆ど変わらない値となるが、５００μｍ以下では徐々に増加を示している。図１１は図１０の中のドレイン領域の長さが４００μｍ以下の部分を拡大した特性である。図１１からオン抵抗は１００μｍ以下になると急激に増加する。このことから、オン抵抗を低くするためにはｎ^-表面領域の１方向に沿った長さは１００μm 以上、特に５００μｍ以上に限定されるべきである。
【００３９】
そのようにすれば、オン抵抗が低く、スイッチング損失の小さいデバイスが実現出来る。
また、ゲート電極がストライプ状の複数の部分であってもよい。
そのようなゲート電極をマスクとして第二導電形ウェル領域を形成すれば、その下方に必然的に第二導電形ウェル領域で周囲を囲まれたストライプ状の第一導電型表面領域が形成される。
【００４０】
先に、第一導電型表面領域の幅は０．１μm 以上、２μm 以下の範囲に限定されると記した。第一導電型表面領域の幅は、第二導電形ウェル領域を形成する際のマスクとなるゲート電極の幅と不純物濃度の横方向への拡散距離で決定される。従って、第一導電型表面領域の幅を上記の適当な値にするためには、横方向拡散距離を約２μm 弱とすると、ゲート電極の幅を４〜８μm 、望ましくは５〜７μm とするのが良いことになる。
【００４１】
また、同じ理由で第一導電型表面領域の長さは、ストライプ状ゲート電極の長さで決定されるので、ストライプ状ゲート電極の値についても先に記した第一導電型表面領域の適当な値である１００μm 以上、望ましくは５００μm 以上とするのがよいことになる。
ストライプ状のゲート電極間をつなぐ幅の狭いブリッジ部分を有するものとすれば、ゲート抵抗が低減される。
【００４２】
そして、そのゲート電極のブリッジ部分の幅は４μm 未満であるものとする。
４μm 未満であれば、第二導電形ウェル領域を形成する際の横方向拡散距離を約２μm とすると、ブリッジ部分の下方は両側からの拡散により、第二導電形ウェル領域がつながってしまい、第一導電型表面領域を囲む第二導電型ウェル領域が形成される。
【００４３】
ゲート電極のブリッジ部分の配置頻度については、ゲート電極の長さ５０μm 当り一個以下、望ましくは２５０μm 当り一個以下とする。
ゲート電極のブリッジ部分を多数設けると、デバイス内部のゲート抵抗は小さくなるものの、ゲート・ドレイン間容量Ｃｇｄが増すので、スイッチング速度が遅く、スイッチング損失が増すことになる。また、ゲート電極の下方は、両側からの拡散により、第二導電形ウェル領域がつながるが、その表面層に形成される第一導電型ソース領域の拡散深さは浅いため、横方向拡散距離も短くつながらない。従って、ゲート電極のブリッジ部分の下方はチャネルが形成されず無効領域となるので、同一面積でのチャネル幅が狭くなることからオン抵抗が高くなる。ブリッジ部分を無闇に数を増やすことは得策でない。ストライプ状ゲート電極の長さ１００μm 、望ましくは５００μm の間に１個以上設けない方が良い。
【００４４】
前記電圧支持層は、第一導電型の半導体領域からなるものでも、第一導電型の半導体領域の表面に近い部分が高抵抗層で下側が低抵抗層からなるものでも、また第一導電型半導体領域と第二導電型半導体領域を交互に配置したいわゆる超接合型としても良い。
次に耐圧を高めるための耐圧構造部分については次のような手段を取る。
まず、第一もしくは第二導電型の低抵抗層と、その低抵抗層上に配置された少なくとも第一導電形半導体領域を含む電圧支持層と、電圧支持層の表面層に配置された第二導電型ウェル領域と、半導体表面において前記第二導電型ウェル領域を囲んで配置された複数の第二導電型ガードリングを備えた半導体装置において、半導体装置の耐圧をＶbr (V) 、前記複数の第二導電型ガードリングの数をｎ（本）としたとき、ｎを１．０×Ｖbr／１００以上、より好ましくは、１．５×Ｖbr／１００以上とする。
【００４５】
第二導電型ガードリングの数ｎ（本）を変えた２次元シミュレーションと試作デバイスについての、ガードリングの数ｎと耐圧Ｖbr (V)との関係を図１４に示す。横軸は耐圧Ｖbr (V)、縦軸はガードリングの数ｎである。
実験に使用したｎ^-ドリフト層の特性は、Ｓｉに不純物としてリンを用いたウウェハの特性で、比抵抗ρ＝１８Ωcm、厚さｔ＝４８．５μm のＳｉ（ｂ1 線）と、ρ＝３２．５Ωcm，ｔ＝７６．５μm のＳｉ（ｂ2 線）の２種類である。
【００４６】
各ウェハ共、ガードリングの本数が増えるに従い耐圧Ｖbrも高くなっている。しかし、ｎ^-ドリフト層のＳｉ特性から計算される平面接合の場合の理論耐圧（それぞれ、６５４V 、１０１１V ）の９７〜９８％程度の耐圧で飽和してしまい、それ以上ではガードリング本数を増やしても耐圧は変わらなくなる。
ガードリングの数ｎとしては、急速に耐圧が向上する領域が終わる境界としてｎ＝１．０×Ｖbr／１００の式（ｂ3 線）が規定される。更にガードリング本数を増やしても殆ど耐圧増加が起きない耐圧となるガードリング本数を示す関係はｎ＝１．５×Ｖbr／１００（ｂ4 線）となる。
【００４７】
従来の技術の耐圧構造では、前記Ｓｉ特性から計算される平面接合耐圧の９０％程度に止まることから、上式で示される以上のガードリング本数とすることで高耐圧化の効果が期待出来る。
一方、ｎの上限としては、６．０×Ｖbr／１００以下と規定する。
ガードリングの本数を増やすと耐圧構造幅が広くなり、実デバイスではチップサイズが大きくなる弊害を生じる。図１４から、ガードリング本数を増やしても耐圧が飽和してしまうことから、ガードリング本数の上限を設けることが実際的である。この上限は、本発明を適用したデバイスの耐久性試験等で想定される耐圧構造表面の電荷蓄積効果に対する耐量を考慮して、本発明の効果が始まる関係のガードリング本数のおおむね６倍が相当である。つまり、その関係式はｎ＝６．０×Ｖbr／１００となる。この関係式以下のガードリング本数とすることで、デバイス表面の電荷蓄積効果を防ぎながらチップサイズを小さく、高耐圧化が実現できる。
【００４８】
次に、第二導電型ウェル領域と、第二導電型ウェル領域側から数えて一番目の第二導電型ガードリングとの間隔を１μm 以下、望ましくは０．５μm 以下とする。
第二導電型ウェル領域と一番目の第二導電型ガードリングとの間隔を変えた２次元シミュレーションと試作デバイスについて求めた、間隔と耐圧Ｖbr (V)との関係を図１５に示す。横軸は間隔（μm ）、縦軸は耐圧Ｖbr（V ）である。この時のｎ^-ドリフト層の特性はρ＝２２．５Ωｃｍ、厚さｔ＝５７．０μｍのＳｉを使用した。ｐウェル領域、ガードリングの接合深さは３．５μｍである。
【００４９】
ｐウェル領域から一番目のガードリング迄の間隔が離れるに従い、耐圧は単調に低下して、３μｍでｎ^-ドリフト層と従来耐圧構造の組み合わせの耐圧（ｃ2 線）とほぼ同じになってしまう。
図１５から、ｐウェル領域と１本目のガードリングとの間隔は１μｍ以下とすることでｎ^-ドリフト層の持つ耐圧のおおむね９５％以上（ｃ1 線）が確保でき、従来構造（ｃ2 線）より５％耐圧向上可能となることがわかる。更に、ｐウェル領域と１本目のガードリングとの間隔を０．５μｍ以下とすると、耐圧が従来構造より約７．５％向上することになる。
【００５０】
オン抵抗と耐圧の関係は、Ｒon∝Ｖbr^2.5と知られている。従って、間隔を０．５μｍ以下とすると、オン抵抗の２０％低減可能であり、画期的効果が得られる。
加えて、前記ウェルと前記１番目のガードリングとが半導体表面部分で接続された場合は表面部の接続部分が空乏化すれば電界強度の緩和効果は最大で耐圧は最も高く出来る。
【００５１】
なお、図１５でｐウェル領域と一番目のガードリングの接続を示す０μm からｐウェルとガードリングの重なりを示す負の寸法領域まで耐圧は上昇し、−１μm 程度で飽和している。この理由は、ガードリングがｐウェル領域から離れると、ｐウェル領域のｐｎ接合の曲率形状により電界強度が増加して耐圧低下が発生し、近づくと曲率形状に対する電界強度が緩和されて、ｐウェル領域とガードリングの重なりが１μm 程度で曲率形状効果が概ね無くなるからである。
【００５２】
更に、第二導電型ウェル領域側から数えて一番目と二番目の第二導電型ガードリングの間隔を１．５μm 以下、望ましくは１．０μm 以下、更に０．５μm 以下とする。
一番目と二番目の第二導電型ガードリングの間隔を変えた２次元シミュレーションと試作デバイスについて求めた、間隔と耐圧Ｖbr (V)との関係を図１６に示す。横軸は間隔（μm ）、縦軸は耐圧Ｖbr（V ）である。
【００５３】
ｐウェル領域と１本目ガードリングとの間隔が０．５μm であるものをｄ1 線で示し、１．０μm であるものをｄ2 線で、１．５μm であるものをｄ3 線で示している。２本目以降のガードリングに求められる重要項目は１本目ガードリングで設定した耐圧を如何に落とさないかである。そこで１本目と２本目のガードリング間隔を１．５μm 以下とすることでｐウェルと1本目ガードリングの関係で決まる耐圧のおおむね９８％以上が確保出来る。１．０μm 以下とすることで９９％以上、０．５μｍ以下とすることでおおね９９．５％以上が確保可能な耐圧構造が可能となる。
【００５４】
上に述べた理由と同じく、１番目のガードリングと２番目のガードリングとの間隔を狭くする程、電圧支持層との接合部分の電界強度が緩和出来て、高耐圧化が可能となる。
更に、第二導電型ウェル領域側から数えて二番目と三番目の第二導電型ガードリングの間隔を２．０μm 以下、望ましくは１．０μm 以下とする。
【００５５】
二番目と三番目の第二導電型ガードリングの間隔を変えた２次元シミュレーションと試作デバイスについて求めた、間隔と耐圧Ｖbr (V)との関係を表１に示す。パラメータは第二導電型ウェル領域と一番目の第二導電型ガードリングとの間隔である。一番目と二番目の第二導電型ガードリングの間隔は１．０μm とした。
【００５６】
【表１】

【００５７】
何れも２本目と３本目のガードリング間隔を２．０μｍ以下とすることで、ｐウェルと１本目、１本目と２本目のガードリングで決まる耐圧のおおむね９９％以上が確保できている。１．０μｍ以下とすれば、前記耐圧のおおむね９９．５％以上が確保できている。これらは前記と同じく、接合部分の電界強度が緩和出来て、高耐圧化が可能となるのである。
【００５８】
三番目の第二導電型ガードリングと四番目の第二導電型ガードリングとの間隔が２．５μm 以下、望ましくは２．０μm 以下とすれば、同様に接合部分の電界強度が緩和出来て、高耐圧化が可能となる。
第二導電型ウェル領域と第二導電型ガードリングのうちの接合深さの浅い方の深さをｄ₁としたとき、前記第二導電型ウェル領域と第二導電型ウェル領域側から数えて一番目の第二導電型ガードリングとの間隔をｄ₁／４以下、望ましくはｄ₁／８以下とする。
【００５９】
これらは、少し見方を変えて第二導電型ウェル領域、または第二導電型ガードリングの接合深さを基準にして、第二導電型ウェル領域と一番目の第二導電型ガードリングとの間隔を規定したものである。前記同様接合部分の電界強度が緩和出来て、高耐圧化が可能となる。
また、第二導電型ガードリングの接合深さをｄ₂としたとき、一番目の第二導電型ガードリングと二番目の第二導電型ガードリングとの間隔をｄ₂／４以下、望ましくはｄ₂／８以下とする。
【００６０】
更に、二番目の第二導電型ガードリングと三番目の第二導電型ガードリングとの間隔をｄ₂／４以下、望ましくはｄ₂／８以下とする。
これらも、見方を変えて第二導電型ガードリングの接合深さを基準にして、一番目の第二導電型ガードリングと二番目の第二導電型ガードリング、または二番目の第二導電型ガードリングと三番目の第二導電型ガードリングとの間隔を規定したものである。前記同様接合部分の電界強度が緩和出来て、高耐圧化が可能となる。
【００６１】
第二導電型ウェル領域と一番目の第二導電型ガードリングとの間隔をl₁、一番目の第二導電型ガードリングと二番目の第二導電型ガードリングとの間隔をl₂としたとき、l₂-l₁を１μm 以下とし、一番目の第二導電型ガードリングと二番目の第二導電型ガードリングとの間隔をl₂、二番目の第二導電型ガードリングと三番目の第二導電型ガードリングとの間隔をl₃としたとき、l₃-l₂を１μm 以下とする。更に、二番目の第二導電型ガードリングと三番目の第二導電型ガードリングとの間隔をl₃、三番目の第二導電型ガードリングと四番目の第二導電型ガードリングとの間隔をl₄としたとき、l₄-l₃を１μm 以下とする。
【００６２】
これも見方を変えたもので、隣り合った二つの間隔が余りに違い過ぎると、大きな方の部分で電解強度が高くなり、降伏してしまう。それを避けるためには、少なくとも四番目のガードリング付近までは、隣り合った二つの間隔の差は１μm 以下とするのがよい。
但し、間隔の差l₂-l₁、l₃-l₂、l₄-l₃を０．５μm より小さく設定していくと、耐圧を落とさない効果はあるが、ガードリング間の電位差が小さくなり寸法効率が悪くなることから少なくとも０．２μm 以上が望ましいため、間隔の差は０．５μm 程度、すなわち０．２〜０．８μm の範囲が最適である。
【００６３】
第二導電形ガードリングの数が多い場合には、その幅について、例えば一番目の第二導電型ガードリングの幅が、五番目の第二導電型ガードリングの幅より大きく、二番目の第二導電型ガードリングの幅が、六番目の第二導電型ガードリングの幅より大きく、三番目の第二導電型ガードリングの幅が、七番目の第二導電型ガードリングの幅より大きいと規定する。
【００６４】
その様にすれば、外側のガードリング付近よりも高い電界強度となる内側のガードリングの電界強度を緩和することが出来るからである。
更に、第二導電型ウェル領域と一番目の第二導電型ガードリングとの間の前記電圧支持層表面に絶縁膜を介して導電体膜を配置する。
その様に導電体膜を配置することにより、耐圧構造表面の電荷が半導体表面に及ぼす影響を遮蔽出来るので、安定した耐圧が確保出来る。
【００６５】
特に、前記導電体膜がフローティング電位であるものとする。
上記の効果は前記導電体がフローティング電位であっても効果に変わりは無いので、隣接する同様の導電体膜と接続する必要が無い。
全く同様に、一番目の第二導電型ガードリングと二番目の第二導電型ガードリングとの間、二番目の第二導電型ガードリングと三番目の第二導電型ガードリングとの間、三番目の第二導電型ガードリングと四番目の第二導電型ガードリングとの間の前記電圧支持層表面に絶縁膜を介して導電体膜を配置しても同じ効果が得られる。
【００６６】
またそれらもフローティング電位として良い。
前記電圧支持層は、第一導電型の半導体領域からなるものでも、第一導電型の半導体領域の表面側が高抵抗層で下側が低抵抗層からなるものでも、また第一導電型半導体領域と第二導電型半導体領域を交互に配置したいわゆる超接合型としても良い。
【００６７】
半導体装置の表面には保護のため、有機高分子材料膜からなる保護膜を配置するものとする。
半導体表面に配置された第二導電型ウェル領域に囲まれて配置された第一導電型表面領域の、前記第二導電型ウェル領域より浅い領域における抵抗率が、前記第二導電型ウェル領域より深い領域の電圧支持層の抵抗率より低くすると良い。第一導電型表面領域の燐イオンのドーピング量を２×１０¹²〜５×１０¹²cm^-2、望ましくは２．５×１０¹²〜４．０×１０¹²cm^-2とすると良い。
【００６８】
そのようにすれば、先に述べたカウンタードープ法と同じく、第二導電型ウェル領域に囲まれて配置された表面ドレイン領域におけるＪＦＥＴ抵抗の低減に効果がある。特に本発明では、表面ドレイン領域の面積比率を従来のものに比べ小さく規定していることから、ＪＦＥＴ抵抗が大きくなりがちであるから、カウンタードープの効果も大きい。
【００６９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
［実施例１］
図２は本発明第一の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの、主電流が流れる活性部分の部分断面図である。ＭＯＳＦＥＴのチップには、主に周縁領域に耐圧を保持するガードリング、フィールドプレートといった耐圧構造部分が設けられるが、その部分については後述する。
【００７０】
低抵抗のｎ⁺ドレイン層１１上の高比抵抗のｎ^-ドリフト層１２の表面層に選択的にｐウェル領域１３が形成され、そのｐウェル領域１３の内部にｎ⁺ソース領域１５が形成されている。ｐウェル領域１３の間には、ｎ^-ドリフト層１２の一部であるｎ^-表面領域１４が表面に達している。２１はコンタクト抵抗を改善するための高不純物濃度のｐ⁺コンタクト領域である。
【００７１】
ｎ⁺ソース領域１５とｎ^-表面領域１４とに挟まれたｐウェル領域１３の表面上には、ゲート絶縁膜１７を介して多結晶シリコンのゲート電極１８が設けられている。１９はｎ⁺ソース領域１５とｐ⁺コンタクト領域２１とに共通に接触するソース電極である。このようにソース電極１９はゲート電極１８の上および側方に形成された層間絶縁膜２２を介してゲート電極１８上に延長されることが多い。ｎ⁺ドレイン層１１の裏面側には、ドレイン電極２０が設けられている。
【００７２】
このデバイスの動作機構を簡単に説明する。
阻止状態では一般に接地されているソース電極１９と同電位のｐウェル領域１３からｎ^-ドリフト層１２側に向かって空乏層が広がって、空乏層の幅と電界強度で決まる耐圧が確保される。空乏層の広がりはｎ^-ドリフト層１２の厚さと比抵抗とできまり、高耐圧を得る為には比抵抗を高く、厚さを厚くすれば良い。
【００７３】
ゲート電極１８にソース電極１９に対してプラス電位を印加すると、ゲート酸化膜１７を介してｐウェル領域１３の表面層１６に反転層が形成されてチャネルとして動作し、キャリアとして電子がｎ⁺ソース領域１５からチャネルを通ってｎ^-表面ドレイン層１４に流れ、ｎ^-ドリフト層１２、ｎ⁺ドレイン層１１を経てドレイン電極２０に流れ、オン状態となる。
【００７４】
図２の断面図は、図３６の従来のものと良く似ており、異なっている点はｐウェル領域１３の間のｎ^-表面領域１４の幅が狭いことである。
むしろこの実施例１の縦型ＭＯＳＦＥＴの特徴を良く表しているのは、図１の半導体基板表面の平面図である。なお図１では、通常半導体素子の周縁領域に設けられる耐圧構造部を、本発明第一の実施形態の本質に係わらないため省略している。
【００７５】
図１において、ｐウェル領域１３が、多数の１方向に延びたストライプ状のｎ^-表面領域１４を囲んで配置されている。（なお、説明の便宜上一部のｎ^-表面領域１４を省略し、点で示した。）ストライプ状のｎ^-表面領域１４の長さが数種類あるのは、図３のチップ表面の電極配置図におけるソース電極１９、ゲート金属電極２７に対応させるためである。ソース電極１９の幅が広い部分では、長いストライプ状ｎ^-表面領域１４ａが配置され、ゲート金属電極２７が入り込んでいる部分では短いストライプ状ｎ^-表面領域１４ｂ、ゲート電極パッド２９が設けられてゲート金属電極の幅が広い部分では、更に短いストライプ状ｎ^-表面領域１４ｃとなっている。
【００７６】
図３において、ソース電極１９の内部に外部端子と接続するためのソースパッド２８が設けられている。ソース電極１９を取り囲み、また一部がソース電極１９の内部に向かってゲート金属電極２７が配置され、ソース電極１９の内部に向かったゲート金属電極２７の一部に外部端子と接続するためのゲートパッド２９が設けられている。図３のなかの最外周の周縁電極３０は、ドレイン電極２０と同電位とされ、一般的に耐圧構造部の最外周に設けられる空乏層の広がりを抑えるためのストッパ電極である。
【００７７】
図４は、図１の半導体表面の各領域を作成するマスクとなるゲート電極１８の形状、およびゲート電極１８とソース電極接触部２４との相対配置関係を示す平面図である。但し、ストライプの長さは一定の部分である。共にストライプ状のソース電極接触部２４とゲート電極１８とが、交互に配置されている。１方向に延びたゲート電極１８の終端部は、一度細くなった後、再び広くなっている。このゲート電極が終端の前に細くなっているのは活性領域以外のゲート電極面積を最小限にする為と、工程上ゲート電極１８をマスクとしてｐウェル領域１３を形成する場合、アクセプタ不純物濃度の拡散により、できるだけ前記の細くなったゲート電極の下を覆うようにすることでＣｒｓｓの低減が可能となるためである。また、ゲート電極１８の端が広くなっているのは、ゲート金属電極との接続のための接合部分２６が設けられているためである。この接合部分２６の上に図３のゲート金属電極２７が位置合わせされる。
【００７８】
もう一度図１に戻るが、ストライプ状ｎ^-表面領域１４ａ、ｂ、ｃの端の先に、ｐウェル領域１３で囲まれた小さなｎ^-表面領域１４ｄが配置されているのが見られる。このｎ^-表面領域１４ｄは、ゲート電極１８の端の接合部分２６の下になった部分であり、接合部分２６の寸法を加工工程の能力上必要な寸法としたとき、ｐウェル領域１３で囲いきれなかったものである。工程加工能力が十分に高ければ、このｎ^-表面領域１４ｄはｐウェル領域１３で覆われてしまって消滅する。
【００７９】
図５は、図１のＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。接合部分２６におけるゲート電極１８とゲート金属電極２７との接続の様子が見られる。１７はゲート酸化膜、１７ａは厚いフィールド酸化膜であり、１９はソース電極である。このＡ−Ａ線に沿った部分の表面電極上の位置を図３にＡ−Ａ線として示した。
この実施例１のＭＯＳＦＥＴの主な寸法例は次のような値とした。
【００８０】
図４のゲート電極１８の幅は５．６μm 、長さは３．６mm、ゲート電極１８間は９．４μm 、すなわちセルピッチを１５μm とした。そのゲート電極１８をマスクにｐウェル領域１３を形成する不純物を導入する。これにより、図１のｎ^-表面領域１４ａの幅は、１．６μm 、その間のｐウェル領域１３の幅は１３．４μm となる。図２のｐウェル領域１３の拡散深さは約４μm 、ｎ⁺ソース領域１５の幅は２．５μm 、拡散深さは０．３μm 、図４のソース電極接触領域２４の幅は７μm である。このとき、半導体表面におけるｐウェル領域１３の面積に対するｎ^-表面領域１４の面積比率はおよそ０．１２となる。
【００８１】
ちなみに、同じｎ^-表面領域１４のｐウェル領域１３の面積に対する面積比率は、従来の図３７、３８、３９のＭＯＳＦＥＴにおいてそれぞれ、約３、２、１である。
図１３は本実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の部分断面図である。図の左方には活性部があり、右端はＭＯＳＦＥＴの端である。一例として耐圧クラスは６００Ｖとする。
【００８２】
ｎ^-ドリフト層１２の表面層端部にはｐ周縁領域３３が形成されており、その表面に周縁電極３０が設けられている。３７は表面保護のためのポリイミド膜である。
ｇ₁〜ｇ₁₄はｐガードリングである。すなわちソース電極１９とドレイン電極電位の周縁電極３０との間に１４本のガードリングｇ₁〜ｇ₁₄が設けられている。二本のガードリングの間の下方に記した数値はそれらのガードリング間の間隔をμm 単位で示しており、ソース電極１９から遠ざかるに従って間隔が広くなっている。
【００８３】
耐圧ＢＶ_DSS＝６００Ｖ（以下Ｖbrとも記す）のため、ｎ^-ドリフト層１２を比抵抗：２０Ωcm、厚さ５０μm とした。
耐圧Ｖbr＝６００Ｖに対し、ガードリングの数が１４本となっている。この本数は、先にのべたガードリング本数ｎを規定する式、１．０×Ｖbr／１００から求められる値、１．０×６００／１００＝６本より多い。
【００８４】
ｐウェル領域１３と１本目ガードリングｇ₁との間隔は０μm で接続している。１本目ガードリングｇ₁と２本目ガードリングｇ₂との間隔は０．５μm 、以降各ガードリング間隔は順番に１μm 、１．５μm 、２μm 、２．５μm 、３μm 、３．５μm 、４μm 、５μm 、６μm 、７μm 、８μm 、９μm と０．５〜１μm ずつ大きくなるように設定されている。また、ガードリングｇの幅は１本目から順に１４．５μm 、１４．５μm 、１３．５μm 、１３．５μm 、１３．５μm 、１２．５μm 、１２．５μm 、１１．５μm 、１１．５μm 、１０．５μm 、１０．５μm 、１０．５μm 、１０．５μm 、１０．５μm と遠くなる程幅が小さくなるように設定されている。ガードリングｇの深さはｐウェル領域１３と同じく４μm とした。
【００８５】
デバイスの耐圧は一般にソース電極１９をグランド電位にしてドレイン電極２０に正バイアスを印加した場合、ソース電位となるｐウェル領域１３とｎ^-ドリフト層１２間のｐｎ接合から空乏層がｎ^-ドリフト層１２に向かって広がる。
活性部ではこの空乏層は半導体表面のｐウェル領域１３から下側のｎ^-ドリフト層１２に向かって広がる。
【００８６】
一方耐圧構造部分では、ｐウェル領域１３から下側のｎ^-ドリフト層１２への他に、横方向に向かっても空乏層が広がる。この横方向に広がる空乏層に対してガードリングｇ₁〜ｇ₁₄が非常に近くに設置されているため、ｐウェル領域１３と１番目のｐガードリングｇ₁との間の半導体表面部分ではｐウェル領域１３の拡散層が曲率を持つことによる形状効果で増加する電界強度を抑制出来る。同様に各ガードリング間の電界強度を抑制出来る。
【００８７】
上記の設定とすることで、耐圧は６６４V となつた。これは比抵抗２０Ωcm、ｎ^-ドリフト層の厚さ５０μm の場合の理論耐圧６８４V の９７％の耐圧が確保できたことになる。
従来の耐圧構造ではｐウェル領域とｎ^-ドリフト層との間のｐｎ接合部分の曲率形状部分が耐圧を低下させる原因となっていたが、その直近に１番目のガードリングを配置することにより、ｐウェル領域から伸びる空乏層が簡単に１番目のガードリングに到達し、曲率形状部分の電界強度を極端に低減することが可能となったものである。
【００８８】
同様の関係が１番目のガードリングと２番目のガードリング間、２番目のガードリングと３番目のガードリング間のように隣り合うガードリング間で成立することから、ｎ^-ドリフト層の比抵抗が低くても高耐圧化が可能となった。
更に、Ｈｕの論文［Rec. Power Electronics Specialists Conf., San Diego, 1979(IEEE, 1979) p.385 ］等によれば、ユニポーラデバイスのオン抵抗Ｒonは
【００８９】
【数３】
Ｒon∝（Ｖbr）^2.5
で表され、耐圧Ｖbrの２．５乗に比例することが知られている。
【００９０】
つまり耐圧が１％向上すると、（同じ比抵抗で厚さの薄いウェハを使用できるから）オン抵抗は約２．５％低減できることになる。従って、耐圧５％の向上は、オン抵抗の約１３％の低減につながり、耐圧７．５％の向上はオン抵抗で２０％の大幅低減と画期的効果を持つことになる。
ここで、ｐウェル領域１３と１本目ガードリングｇ₁との間隔を０μm として接続した意味について、付け加える。
【００９１】
ｐウェル領域１３と１本目ガードリングｇ₁とは、間隔が０μm で接続しているので、１本目ガードリングｇ₁は一見意味が無いようにも考えられるが、図１５に見られるようにそれらが接続し、或いは重なり合っても耐圧の向上がもたらされる。
ｐウェル領域１３と１本目ガードリングｇ₁との間隔が０μm である意味はもう一つある。ｐウェル領域１３と１本目ガードリングｇ₁とを形成するための不純物導入用マスクにおいて、それらの間隔が０になるようにして置くことによって、かりにプロセスのバラツキにより、０．５μm 以下のオーバーエッチングがあったとしても、ｐウェル領域１３と１本目ガードリングｇ₁との間隔は０．５μm 以下に抑えられる。このようにプロセスバラツキをある程度補償する効果をもっているのである。
【００９２】
耐圧クラスの異なるＭＯＳＦＥＴを試作し、図３９の従来のＭＯＳＦＥＴと比較した。図１２は、耐圧とＲonＡとの関係を比較した特性比較図である。横軸は耐圧ＢＶ_DSS(V) 、縦軸はオン抵抗ＲonＡ(mΩcm²)であり、いずれも対数表示している。
ＲonＡはほぼ従来の半分になっており、本発明の効果が非常に大きいことがわかる。図の傾向からこの効果は、試作していないが耐圧１５０Ｖ以下においても期待出来る。
【００９３】
更に、試作したＭＯＳＦＥＴについて、オン抵抗とゲートドレイン間容量との積［Ｒon・Ｃｒｓｓ］を３種類の耐圧クラス毎に従来品と比較し、表２にまとめた。
【００９４】
【表２】

【００９５】
Ｒon・Ｃｒｓｓはいずれも従来の１／５程度になっている。
デバイスの損失はオン抵抗とスイッチング損失で決まり、スイッチング損失はＣｒｓｓが小さい程小さくなることから［Ｒon・Ｃｒｓｓ］積の小さいデバイスが損失が小さいことになる。この特性も本発明品は従来品より大幅に小さくなっていて効果が非常に大きいことが分かる。
【００９６】
ゲート電極１８の幅を広げると、図６の傾向と同様に、Ｒonの変動はあまり無いもののＣｒｓｓが増大し、スイッチング損失が大きくなる。逆に、ゲート電極１８の幅を狭めるとＣｒｓｓは低下するが、Ｒonが増大し定常損失が大きくなる。
１方向に延びたゲート電極の１方向に沿った長さが実施例１ではチップの主電流が流れる活性部のサイズにほぼ等しく４mm程度である。この長さはチップの活性部のサイズとほぼ等しい長さでも良いが、内部ゲート抵抗を増加させないために１００μm 以上、好ましくは５００μm 以上の間隔でゲート電極と接続する部分を設けても勿論かまわない。
【００９７】
なお、図２の断面図が、図３６の従来のものと略同じであることからわかるように、実施例１のＭＯＳＦＥＴの製造工程は、従来のものと略同じで良く、ただパターンを変えるだけで実現できる。
［実施例２］
図４１は本発明第二の実施形態のｎチャネル縦型ＩＧＢＴの、主電流が流れる活性部分の部分断面図である。ＩＧＢＴのチップには、主に周縁領域に耐圧を保持するガードリング、フィールドプレートといった耐圧構造部分が設けられるが、その部分については後述する。
【００９８】
低抵抗のｐ⁺ドレイン層１１ａ上の高比抵抗のｎ^-ドリフト層１２の表面層に選択的にｐウェル領域１３が形成され、そのｐウェル領域１３の内部にｎ⁺ソース領域１５が形成されている。ｐウェル領域１３の間には、ｎ^-ドリフト層１２の一部であるｎ^-表面領域１４が表面に達している。
ｎ⁺ソース領域１５とｎ^-表面領域１４とに挟まれたｐウェル領域１３の表面上には、ゲート絶縁膜１７を介して多結晶シリコンのゲート電極１８が設けられている。１９はｎ⁺ソース領域１５とｐ⁺コンタクト領域２１とに共通に接触するソース電極である。このようにソース電極１９はゲート電極１８の上および側方に形成された層間絶縁膜２２を介してゲート電極１８上に延長されることが多い。ｐ⁺ドレイン層１１ａの裏面側には、ドレイン電極２０が設けられている。
【００９９】
半導体表面の平面図、ゲート電極のコンタクト、金属電極等は、実施例１の図１、４、３と全く同じでよい。
実施例１のＭＯＳＦＥＴと異なっている点は、断面構造であり、ドレイン電極２０が接しているのが、ｎ⁺ドレイン層ではなく、ｐ⁺ドレイン層１１ａである点である。
【０１００】
動作は、ゲート電極１８への信号でドレイン電極２０からソース電極１９へ流れる電流が制御される点では同じであるが、ｐ⁺ドレイン層１１ａからｎ^-ドリフト層１２へ正孔が注入されるためバイポーラモードとなり、オン抵抗がＭＯＳＦＥＴより低くなる。
このＩＧＢＴにおいても、オン抵抗が従来のＩＧＢＴより、約３０% 低減された。
【０１０１】
［実施例３］
図４２は本発明第三の実施形態のｎチャネル縦型ＩＧＢＴの、主電流が流れる活性部分の部分断面図である。
図４１の実施例２のＩＧＢＴとの違いは、ｎ^-ドリフト層が、高抵抗率部分１２ａと低抵抗率部分１２ｂとからなる点である。
【０１０２】
低抵抗率部分１２ｂによって、逆電圧印加時の空乏層の広がりが制限されるので、高比抵抗率部分１２ａの厚さを薄くできる利点がある。
従ってｎ^-ドリフト層での電圧降下が低減され、実施例２のＩＧＢＴより一層オン抵抗の低いＩＧＢＴとすることができる。
［実施例４］
図１７は本発明第四の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの活性部の部分断面図、図１８は斜視図である。
【０１０３】
実施例１の縦型ＭＯＳＦＥＴの図２との違いは、活性部における二つのｐウェル領域１３の間のｎ^-表面領域１４であったところにｎカウンタードープ領域３４が形成されている点である。
ｎカウンタードープ領域３４は、例えばドーズ量２．５×１０¹²〜４．０×１０¹²cm^-2の燐イオンのイオン注入および熱処理によって形成される。深さは約４μm である。
【０１０４】
図４３は、燐イオンのドース量と耐圧Ｖbrおよびオン抵抗Ｒonとの関係を示したものである。横軸はドーズ量、縦軸はＶbrまたはＲonである。図４３において、燐イオンのドーズ量が２．５×１０¹²cm^-2以上のＲonは殆ど変わらない値であるが、２．０×１０¹²cm^-2以下ではＲonは急激に増大している。また、燐イオンのドーズ量が４．０×１０¹²cm^-2以下のＶbrは殆ど変わらない値であるが、５．０×１０¹²cm^-2以上では、Ｖbrが急激に低下している。また、ＶGS＝−３０V においても、４．４×１０¹²cm^-2以上でＶbrが急激に低下している。これらの結果により、ドーズ量は、２．０×１０¹²〜５．０×１０¹²cm^-2、より好ましくは２．５×１０¹²〜４．０×１０¹²cm^-2の範囲が良い。
【０１０５】
このｎカウンタードープ領域３４を形成することによって、ｐウェル領域１３に囲まれている表面ドレイン領域で構成されるＪＦＥＴ抵抗が低減され、直列抵抗分が低減されて、オン抵抗の低下につながる。
本実施例では、表面ドレイン領域の面積比率を小さくしているので、ＪＦＥＴ抵抗が増大する。このため、カウンタードープによるオン抵抗の低減効果は大きい。
【０１０６】
図１９は第四の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部の部分断面図である。実施例１の縦型ＭＯＳＦＥＴの図１３との違いは、耐圧Ｖbr＝６００Ｖに対し、ガードリングの数が６本となっていることである。
この本数は、ガードリング本数ｎを規定する前記の式から求められる１．０×Ｖbr／１００＝６本と同じである。
【０１０７】
この設定とすることで、６２２V と理論耐圧６８４V の９２％の耐圧が確保できた。勿論ガードリング本数を増せば、耐圧はもっと高くできる。
この実施例４のＭＯＳＦＥＴについても、ｎ⁺ドレイン層の代わりにｐ⁺ドレイン層或いは図４２の低抵抗率部分１２ｂとｐ⁺ドレイン層を設けることにより、実施例２、３のようにＩＧＢＴとすることができる。以後の実施例１４迄のＭＯＳＦＥＴの例についても同様にｎ⁺ドレイン層を置き換えることでＩＧＢＴとすることができる。
【０１０８】
［実施例５］
図２０は本発明第五の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の部分断面図である。
実施例１の縦型ＭＯＳＦＥＴの図１３との違いは、ガードリング数が６本になっていることと、二つのｐガードリングの間のフィールド酸化膜１７ａ上に導電体である多結晶シリコン膜のフィールドプレート３５が形成されている点である。
【０１０９】
デバイスは実使用状態ではドレイン電極２０、ソース電極１９間に電圧が印加されていている。長期の電圧印加時の信頼性に影響を与える項目に、デバイス表面の電荷蓄積効果がある。耐圧構造部の両端にある電極間にも電圧が印加されていると、耐圧構造部の表面に電荷が誘起され、絶縁層を介して半導体表面、特にｎ^-ドリフト層１２の表面部分に影響を与え、半導体内部の電界を乱して耐圧劣化に繋がる。
【０１１０】
この例では、耐圧構造部の層間絶縁膜２２とｎ^-ドリフト層１２の表面のフィールド酸化膜１７ａ表面との中間に多結晶シリコン膜のフィールドプレート３５を設けることにより、静電遮蔽効果を利用して表面電荷の影響を抑えることができる。なお、活性部ではソース電極１９とゲート電極１８とがｎ^-ドリフト層表面を覆っているため、表面電荷の影響は受けない構造となっている。
【０１１１】
すなわち、ｐウェル領域１３と１番目のガードリングｇ1 との間及びガードリング間のｎ^-表面領域１４に、フィールド酸化膜１７ａを介して導電体である多結晶シリコン膜のフィールドプレート３５を配置するこにより、表面電荷蓄積効果が防止でき、信頼性上の効果が期待できる。耐圧は実施例２とほぼ同じであった。なお、フィールドプレート３５の電位はフローティングとしたが、配線を設けて適当な電位を与えることもできる。
【０１１２】
［実施例６］
図２１は本発明第六の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのソース電極接触部２４とゲート電極１８との相対配置関係を示す平面図である。耐圧構造部は、実施例１と同様とした。
実施例１の図４で説明した構造と異なる点は、ストライプ状のゲート電極１８の両端の他に、その中間にもゲート金属電極との接合部分２６が設けられている点である。このようにすることによって、内部ゲート抵抗の低減およびオン抵抗の増加抑制に効果がある。
【０１１３】
半分の長さのストライプ状ゲート電極１８のそれぞれの端に接合部分２６を設けるより、実施例６の構造は活性部面積の効率を上げることができる。
半導体基板表面の平面図は、途中でｎ^-表面領域１４が途切れ、小さなｎ^-表面領域が挟まれる。加工精度が高ければ、その小さなｎ^-表面領域は無くすことができる。
【０１１４】
この実施例６では、ゲート金属電極との接合部分２６が、ゲート電極１８の中間に１箇所設けられているだけであるが、当然同様の１方向に延びたゲート電極に対して複数箇所設けることも可能である。
［実施例７］
図２２は本発明第七の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの半導体基板表面の平面図である。なお図２２は図２と同様に耐圧構造部は省略して示されている。耐圧構造部は、実施例１と同様とした。
【０１１５】
この例ではｎ^-表面領域１４（複数あることを点で省略して示している）が、基本的に実施例１の図１と同様に、ｐウェル領域１３で囲まれ、１方向にのびた形状をしている。図２との違いは、ｎ^-表面領域１４が１方向に延びていて、しかも延びた方向に対しておおむね垂直な方向に複数の凸部３１を有している点である。
【０１１６】
この凸部３１の配置頻度はほぼ２５０μｍ当たり１個に設定されており、また、この凸部３１のｎ^-表面領域１４の延びた方向と垂直な方向への寸法は約０．５μｍである。
図２３は図２２の半導体表面の各領域を作成するマスクとなるゲート電極１８の形状、およびゲート電極１８とソース電極接触部２４との相対配置関係を示す平面図である。
【０１１７】
図２３の形状が図４の形状と異なる点は、１方向に延びたゲート電極１８に、延びた方向に対して垂直にゲート電極のブリッジ３２が設けられていることである。このゲート電極のブリッジ３２の頻度は、ほぼ２５０μｍ当たり１個に設定されている。また、このゲート電極ブリッジ３２の幅は２．５μｍに設定してある。
【０１１８】
このゲート電極１８をマスクとして不純物導入によりｐウェル領域１３を形成すると、ｐウェル領域１３の表面横方法への拡散が２μｍで設計していることから、ゲート電極のブリッジ３２の下は、ブリッジ３２の両側からの拡散領域が接続されるので、一本のｐウェル領域１３となる。但し、ブリッジ３２の付け根の下の部分では、両側からの拡散領域が接続されないので、ｎ^-表面領域の凸部３１が残ることになる。
【０１１９】
この例では、ゲート電極１８がブリッジ３２で接続されていることから、ゲート抵抗が低減され、オン抵抗も低減される。
［実施例８］
図２４は本発明第八の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１８、およびゲート電極１８とソース電極接触部２４との相対配置関係を示す平面図である。耐圧構造部は実施例１と同様とした。
【０１２０】
実施例７の図２３で説明した構造と異なる点は、ストライプ状のゲート電極１８の両端の他に、その中間にもゲート金属電極との接合部分２６が設けられている点である。
このようにすることによって、内部ゲート抵抗の低減およびオン抵抗の増加抑制に効果的である。半分の長さのストライプ状ゲート電極１８のそれぞれの端に接合部分２６を設けるより、実施例８の構造は活性部面積の効率を上げることができる。
【０１２１】
半導体基板表面の平面図は、途中でｎ^-表面領域１４が途切れ、小さなｎ^-表面領域が挟まれる。加工精度が高ければ、このｎ^-表面領域１４ｄは無くすことができる。
このゲート金属電極との接合部分は、この実施例８では１方向に延びたゲート電極の中間に１箇所設けられているだけであるが、当然同様の構造を１方向に延びたゲート電極に対して複数箇所設けることも可能である。
【０１２２】
［実施例９］
図２５は本発明第九の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの半導体基板表面の平面図である。図２５には実施例１と同様に耐圧構造部は省略して示している。耐圧構造部は実施例１と同様とした。
図２５において、ｎ^-表面領域１４は１方向に延びたストライプ状で、複数（複数あることを点で省略して示している）が平行に配置され、周囲をｐウェル領域１３で囲まれている。
【０１２３】
図２６は図２５の半導体表面の各領域を作成するマスクとなるゲート電極１８の形状、およびゲート電極１８とソース電極接触部２４との配置関係を示す平面図である。
１方向に延びた形状のゲート電極１８が複数配置されている。実施例１の図４と異なる点は、１方向に延びたゲート電極１８の幅が全体で同じ幅となっているところである。加工精度が十分に高ければ、このようにゲート電極１８の幅内でゲート金属電極接触部２６が形成できる。
【０１２４】
図２７は、図２５のＢ−Ｂ線に沿った部分断面図である。接合部分２６におけるゲート電極１８とゲート金属電極２７との接続の様子が見られる。１７はゲート酸化膜、１７ａは厚いフィールド酸化膜であり、１９はソース電極である。実施例１の図５と比較すると、ｎ^-表面領域１４ｄがないことがわかる。
このＢ−Ｂ線に沿った表面電極上の位置を図３にＢ−Ｂ線として示した。
【０１２５】
また、本実施例９ではゲート電極１８の１方向に延びた終端部分の角を落として鋭角にならないような形状としているが、直角のまま終端していても本特許の内容の作用・効果に影響は無い。
［実施例１０］
次に図２８は本発明第十の実施形態のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１８の形状、およびゲート電極１８とソース電極接触部２４との配置を示す平面図である。耐圧構造部は実施例１と同様とした。
【０１２６】
実施例９の図２６で説明した構造と異なる点は、ストライプ状のゲート電極１８の両端の他に、その中間にもゲート金属電極との接合部分２６が設けられている点である。
このようにすることによって、内部ゲート抵抗の低減およびオン抵抗の増加抑制に効果的である。半分の長さのストライプ状ゲート電極１８のそれぞれの端に接合部分２６を設けるより、実施例２の構造は活性部面積の効率を上げることができる。
【０１２７】
［実施例１１］
図２９は、本発明実施例１１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図である。
これまでの例はいずれも電圧支持層が単一のｎ^-ドリフト層１２であった。しかし、電圧支持層が単一の層でなければならないわけではない。
【０１２８】
近年、特に高耐圧の半導体装置において、逆電圧印加時には空乏化する高不純物濃度で幅の狭いｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂとを交互に並べた並列ｐｎ層を電圧支持層とするいわゆる超接合半導体装置が開発されている。
図３０は本発明実施例１１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの主要部分の部分断面図である。
【０１２９】
図３０において、低抵抗のｎドレイン層１１上にｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂとが交互に配置されており、この並列ｐｎ層４２が逆電圧印加時に耐圧をもつことになる。例えばそれぞれの幅が５μm 程度の時、不純物濃度は単一のｎ^-ドリフト層１２の１００〜１０００倍に高濃度化でき、しかも厚さも薄くできて、それだけオン抵抗を低減できる。
【０１３０】
図３１（ａ）は、耐圧構造部分の半導体基板表面の平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、（ｃ）はＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
図３１（ｂ）では、ｐガードリングがｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂと平行に走ることになるが、図３１（ｃ）ではｐガードリングがｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂと直交している。
【０１３１】
図３１（ｃ）では複数のｐガードリングがｐ仕切り領域４２ｂによって短絡されることになるが、ｐ仕切り領域４２ｂの厚さは非常に薄いため、逆バイアス時には空乏化するので問題無いことが実験で確認された。
図３１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に見られるようにｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの最外周部分は並列ｐｎ層４２を止めて、高抵抗領域３８とする。
【０１３２】
なお図３０において、ｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂの方向と、ｐウェル領域１３の方向とが平行になっているが必ずしも平行でならなければならない訳ではなく、直交しても良い。直交の場合は、ｐウェル領域１３が必ずｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂと接するので製造が容易である。
［実施例１２］
図３２は、本発明実施例１２のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図である。
【０１３３】
低抵抗のｎドレイン層１１上にｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂとが交互に配置された並列ｐｎ４２、更にその上にｎ^-ドリフト層１２が形成されている。
その上側のｎ^-ドリフト層１２にｐウェル領域１３から上の構造が形成される。
【０１３４】
［実施例１３］
図３３は本発明実施例１３のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図である。実施例１１のＭＯＳＦＥＴの変形例と見ることができる。
すなわち、並列ｐｎ層のｐ仕切り領域４２ｂが薄板状でなく球状とされて、規則的に配置され、ｎドリフト領域４２ａはそれを包む領域とされている。
【０１３５】
ｎドリフト領域４２ａとｐ仕切り領域４２ｂとの不純物濃度を適当に選ぶことにより、このような構造も考えられる。
［実施例１４］
図３４は本発明実施例１４のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図である。これも実施例１１の変形例と見ることができる。
【０１３６】
すなわち、並列ｐｎ層のｐ仕切り領域４２ｂが薄板状でなく円柱状とされて、規則的に配置され、ｎドリフト領域４２ａはそれを囲む領域とされている。
図３５（ａ）は、耐圧構造部分の半導体基板表面の平面図、（ｂ）はＥ−Ｅ線に沿った断面図である。
図３５（ａ）および（ｂ）に見られるようにｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの最外周部分は並列ｐｎ層４２でなく、高抵抗領域３８とする。
【０１３７】
以上幾つかの例を基に説明したが、活性部と耐圧構造部とは互いに独立であり、自由に組み合わせることができる。また、いずれの実施例においても活性部のｎ^-表面領域１４をｎカウンタードープ領域３４としても良い。
特に本発明の耐圧構造は、ＭＯＳゲートをもつ半導体装置に限らず、プレーナトランジスタ等のバイポーラ半導体装置にも適用できる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、ＭＯＳ半導体装置において、第一導電型電圧支持層の表面露出部である第一導電型表面領域が、第二導電型ウェル領域に囲まれており、第一導電型ソース領域を含めた第二導電型ウェル領域の表面積に対して、その表面積の比を０．０１〜０．２の範囲内とし、或いはその形状を、その幅が０．１〜２μm のストライプ状とすることによって、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に改善し、高耐圧でありながらオン抵抗の低い、更にスイッチング損失も少ないものを実現できることを示した。
【０１３９】
また、耐圧構造部に関しては、耐圧に応じて沢山のガードリングを、互いに近接して設けることにより、平面接合の場合の理論耐圧の９７% 以上を容易に実現できるようになった。そして耐圧の向上により、薄いＳｉ基板を用いることが可能になり、オン抵抗の低減につながることも明らかにした。
従来のＭＯＳ半導体装置の工程等を変える必要が無く、パターンを変えるだけで大幅な特性改善が可能な本発明は、特にパワー半導体の分野で大きな貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの基板表面の平面図
【図２】実施例１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの活性部分の部分断面図
【図３】実施例１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴチップの金属電極平面図
【図４】実施例１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極、ソース電極配置図
【図５】図１のＡ−Ａ線に沿った部分断面図
【図６】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける表面ｎドレイン領域面積比率とＣｒｓｓ、Ｒonとの関係を示す特性図
【図７】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける表面ｎドレイン領域の主たる部分の幅とＣｒｓｓ、Ｒonとの関係を示す特性図
【図８】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける表面ｎドレイン領域の長さとＣｉｓｓとの関係を示す特性図
【図９】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける表面ｎドレイン領域の長さとＣｉｓｓとの関係を示す特性図
【図１０】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける表面ｎドレイン領域の長さとＲonとの関係を示す特性図
【図１１】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける表面ｎドレイン領域の長さとＲonとの関係を示す特性図
【図１２】本発明のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴおよび比較例における耐圧とＲonＡの関係を比較した比較図
【図１３】実施例１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の部分断面図
【図１４】耐圧Ｖbrとガードリング本数の関係を示す特性図
【図１５】ｐウェルと1本目ガードリングとの間隔とＶbrとの関係を示す特性図
【図１６】１本目と２本目ガードリングとの間隔とＶbrとの関係を示す特性図
【図１７】本発明実施例４のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの活性部分の部分断面図
【図１８】本発明実施例４のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの活性部分の部分斜視図
【図１９】本発明実施例４のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の部分断面図
【図２０】本発明実施例５のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の部分断面図
【図２１】本発明実施例６のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極、ソース電極配置図
【図２２】本発明実施例７のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの基板表面の平面図
【図２３】本発明実施例７のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極、ソース電極配置図
【図２４】本発明実施例８のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極、ソース電極配置図
【図２５】本発明実施例９のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの基板表面の平面図
【図２６】実施例９のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極、ソース電極配置図
【図２７】図２６のＢ−Ｂ線に沿った部分断面図
【図２８】本発明実施例１０のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴのゲート電極、ソース電極配置図
【図２９】本発明実施例１１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図
【図３０】本発明実施例１１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの主要部の部分断面図
【図３１】（ａ）は本発明実施例１１のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の半導体基板表面の平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、（ｃ）はＤ−Ｄ線に沿った断面図
【図３２】本発明実施例１２のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図
【図３３】本発明実施例１３のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図
【図３４】本発明実施例１４のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧支持層部分の斜視断面図
【図３５】（ａ）は本発明実施例１４のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの耐圧構造部分の半導体基板表面の平面図、（ｂ）はＥ−Ｅ線に沿った断面図
【図３６】従来のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの断面図
【図３７】従来のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの一例のゲート電極の平面図
【図３８】従来のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの別の例のゲート電極の平面図
【図３９】従来のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの更に別の例のゲート電極の平面図
【図４０】従来のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの別の例の断面図
【図４１】実施例２のｎチャネル縦型ＩＧＢＴの活性部分の部分断面図
【図４２】実施例３のｎチャネル縦型ＩＧＢＴの活性部分の部分断面図
【図４３】試作したｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴにおける燐イオンドーズ量とＶbr、Ｒonとの関係を示す特性図
【符号の説明】
１１ｎ⁺ドレイン層
１１ａｐ⁺ドレイン層
１２ｎ^-ドリフト層
１２ａｎ^-ドリフト層の高抵抗率部分
１２ｂｎ^-ドリフト層の低抵抗率部分
１３ｐウェル領域
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄｎ^-表面領域
１５ｎ⁺ソース領域
１６チャネル領域
１７ゲート酸化膜
１７ａフィールド酸化膜
１８ゲート電極
１９ソース電極
２０ドレイン電極
２１ｐ⁺コンタクト領域
２２層間絶縁膜
２４ソース電極接触部
２６ゲート金属電極接触部
２７ゲート金属電極
２８ソース電極パッド
２９ゲート電極パッド
３０周縁電極
３１凸部
３２ゲート電極ブリッジ
３３ｐ周縁領域
３４ｎカウンタードープ領域
３５フィールドプレート
３７ポリイミド膜
３８高比抵抗領域
４２並列ｐｎ層
４２ａｎドリフト領域
４２ｂｐ仕切り領域
ｇ、ｇ₁〜ｇ₁₄ ガードリング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor such as a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as MOSFET) or an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) having a gate structure of metal (M) -oxide film (O) -semiconductor layer (S). The present invention relates to a vertical type, high breakdown voltage, low loss semiconductor device in which current flows between electrodes provided on both sides of a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
Generally, a vertical semiconductor in which a current flows between electrodes provided on both surfaces of a semiconductor substrate is often used as a power semiconductor element. FIG. 36 is a sectional view of an active portion through which a main current flows, as an example of a conventional planar type n-channel vertical MOSFET.
In this vertical MOSFET, the drain electrode 20 is conductively bonded and has a low resistance n⁺High specific resistance n serving as a voltage support layer on the drain layer 11^-A drift layer 12 is disposed, and n^-A p-well region 13 is selectively disposed on the drift layer 12, and n is selectively formed on the surface layer inside the p-well region 13.⁺A source region 15 is formed.
[0003]
n⁺Source region 15 and n^-Surface exposed portion 14 of drift layer 12 (hereinafter n^-A gate electrode 18 is provided on the surface of the p well region 13 sandwiched between the surface region and the gate region 18 via the gate insulating film 17.⁺A source electrode 19 is provided in common contact with the surfaces of the source region 15 and the p-well region 13.
In order to reduce the contact resistance with the source electrode 19 on the surface in contact with the source electrode 19 of the p-well region 13 in the device or to increase the latch-up resistance,⁺A contact region 21 may be provided.
[0004]
N in which the drain electrode 20 of the MOSFET of FIG.⁺The drain layer 11 is made of low resistance p⁺If it is changed to the drain layer, it becomes a planar type n-channel vertical IGBT. In that case, n of high specific resistance which becomes a voltage support layer on it^-The structure above the drift layer 12 may be exactly the same as that of the MOSFET of FIG.
The operation of the IGBT is the same in that the current flowing from the drain electrode to the source electrode is controlled by the signal to the gate electrode, but the MOSFET is a unipolar element, whereas the IGBT is a bipolar element. The voltage drop when the current is passed (ON state) is reduced.
[0005]
In such a vertical MOSFET or IGBT, the on-state resistance (= voltage drop / current) in the on-state can be expressed as the sum of the resistances of the current path inside the device. N of high specific resistance^-The resistance of the drift layer 12 becomes dominant.
In order to reduce the loss of MOSFET and IGBT, this n^-It is effective to reduce the specific resistance of the drift layer 12 or to reduce the thickness. However, this n^-The drift layer 12 is depleted and becomes a voltage support layer.^-When the impurity concentration of the drift layer 12 is increased to lower the specific resistance or the thickness is decreased, the breakdown voltage is lowered.
[0006]
Conversely, n is high for semiconductor devices with high breakdown voltage.^-Since the drift layer 12 must be thickened, the on-resistance is inevitably increased and the loss is increased.
That is, there is a trade-off relationship between on-resistance and breakdown voltage. It is known that this trade-off relationship holds true not only for MOSFETs and IGBTs but also for power semiconductor elements such as bipolar transistors and diodes, to some extent.
[0007]
In addition, since the p-well region 13 of the conventional device as described above is generally formed by introducing impurities using the gate electrode layer 18 as a mask, its planar shape is almost the inverted shape of the gate electrode layer 18. Become. 37 and 38 are plan views showing examples of the pattern of the gate electrode 18 of the conventional device.
FIG. 37 shows an example in which the gate opening shape of the gate electrode 18 is a quadrangle, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 7-83123. Since the p-well region 13 is formed by introducing impurities through the window of the gate electrode 18, the planar shape thereof is a quadrangle. n⁺The source region is formed in a square ring shape by introducing impurities with the window of the gate electrode 18 as one end. In the window of the gate electrode 18 of FIG.⁺A source electrode contact region 24 provided in contact with the source region is shown. The source electrode contact region 24 is also a similar rectangle.
[0008]
FIG. 38 shows an example in which the window shape of the gate electrode 18 is hexagonal, and is disclosed in, for example, USP 4,593,302. Also in this case, the planar shape of the p-well region 13 is a hexagon. The source electrode contact region 24 is also a similar hexagon.
On the other hand, with respect to the breakdown voltage structure that bears the breakdown voltage of the MOS type semiconductor device, a guard ring structure, a field plate structure, a resistive film + field plate structure, or the like is generally provided around the active region.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, the breakdown voltage can be realized only in a value of 90% or less of the ideal breakdown voltage calculated from the semiconductor substrate used and the breakdown voltage structure in any breakdown voltage structure.
Therefore, in order to achieve the target breakdown voltage, it is necessary to increase the thickness of the semiconductor substrate or use a breakdown voltage structure with a margin, and even in devices that require low on-resistance, the on-resistance It was inevitable that there was an increase.
[0010]
One reason why only about 90% or less of the breakdown voltage calculated from the structure can be realized is that there is a problem with the planar arrangement method of the active portion, and the other is that the breakdown voltage structure portion is not optimized. This is because the breakdown structure breaks down before the active portion. Each is described in more detail below.
First, for the active region, when the shape of the p-well region 13 is as shown in FIGS.^-N of the drift layer 12^-The shape is surrounded by the drift surface portion 14. In other words, n^-Since the p-well region 13 forms a convex shape with respect to the drift surface portion 14, the electric field strength at the pn junction portion therebetween increases due to the shape effect, and is originally n^-The breakdown voltage is lower than the breakdown voltage determined by the impurity concentration of the drift layer 12 and the p-well region 13.
[0011]
For this reason, n is required to secure the breakdown voltage.^-It is necessary to reduce the impurity concentration of the drift layer 12, which further contributes to an increase in on-resistance.
As one method for suppressing the breakdown voltage drop due to the shape effect of the p-well region 13, for example, in USP 5,723,890, a method in which the main part of the gate electrode is formed in a stripe shape extending in one direction is performed.
[0012]
FIG. 39 is a plan view showing a pattern of the gate electrode 18. In this case, the planar shape of the main part of the p-well region 13 is also striped. The contact region 24 is also striped.
However, the MOSFET having the gate electrode 18 in a stripe shape is not without problems.
[0013]
In the case of a conventional gate electrode having a square or hexagonal window, the gate resistance of the control signal to the gate electrode is kept low because the gate electrode shape acts like a network. However, when the gate electrode 18 is formed in a stripe shape, the control signal to the gate electrode has only a one-way path from both ends of the stripe, so that the gate resistance increases, resulting in an increase in switching loss described later. became.
[0014]
In order to reduce the loss of the MOSFET, it is necessary to reduce the loss during switching as well as the loss of the on-state due to the on-resistance described above. In general, in order to reduce the loss during switching, it is important to shorten the switching time, in particular, the switching time when the element changes from the on state to the off state.
In order to shorten the switching time of the vertical MOSFET, n in FIG.^-It is necessary to reduce the capacitance Crss formed between the surface region 14 and the gate electrode 18 facing each other through the gate insulating film 17. And n is sandwiched between p well regions 13^-It is effective to reduce the width of the surface region 14.
[0015]
However, n sandwiched between the p-well regions 13^-When the width of the surface region 14 is reduced, a resistance component (hereinafter referred to as JFET resistance) due to the junction field effect transistor action, which is one of the on-resistance components of the MOSFET, is increased and the on-resistance is increased.
One solution to the problem of increased JFET resistance is the counter-doping method disclosed in USP 4,593,302, for example. Certainly, using this technique, the increase in on-resistance can be suppressed, but in order to lower the JFET resistance as much as possible, n^-Increasing the width of the surface region 14 leads to a decrease in breakdown voltage. In order to avoid this decrease in breakdown voltage, it is necessary to reduce the amount of counter-dope, resulting in a problem that the effect of suppressing the increase in JFET resistance is diminished.
[0016]
In order to reduce the switching loss, it is also effective to reduce the gate drive charge amount Qg in addition to the reduction of Crss. Qg is calculated as a charge amount from the gate-source voltage Vgs with respect to the input capacitance Ciss of the MOS type device from 0 (V) to the drive voltage V1 (V), and is expressed by the following equation.
[0017]
[Expression 1]

From the above equation, it can be seen that reducing Ciss leads to a reduction in Qg.
[0018]
Ciss in the MOS type device is a capacitance between terminals and is expressed by the following equation.
[0019]
[Expression 2]
Ciss = Cgs + Cgd
Here, Cgs is a gate-source capacitance, and Cgd is a gate-drain capacitance (= Crss).
[0020]
In addition to the above-described solution by reducing the JFET resistance by counter doping, there is another solution for reducing Crss. FIG. 40 is a cross-sectional view of a MOSFET using another solution. n^-A thick gate insulating film 25 is provided on a part of the gate insulating film 17 facing the surface region 14 to reduce Crss.
However, in this case, a step is generated in the insulating film of the gate insulating film 17 and the thick gate insulating film 25, so that there is a problem that the electric field strength at the step portion is increased and the breakdown voltage is lowered.
[0021]
In order to further reduce Cgs, a method of reducing the area of the gate electrode 18 can be considered. For example, in the case of the striped gate electrode shown in FIG. Switching loss increases.
On the other hand, with respect to the breakdown voltage structure, n which is a voltage support layer^-In the outermost peripheral portion of the p well region 13 having the same potential as that of the source electrode 19 disposed on the drift layer 12, the p well region 13 and the n well^-Since the pn junction with the drift layer 12 has a curvature, the electric field strength of this curvature portion increases when a voltage is applied compared to the case of a planar junction, and the applied voltage is lower than the withstand voltage calculated from the structure of the withstand pressure support layer. It reaches the critical field strength and breaks down.
[0022]
In view of the various problems as described above, the object of the present invention is to greatly improve the trade-off relationship between on-resistance and withstand voltage, to reduce on-resistance while maintaining high withstand voltage, and at the same time to reduce switching loss. The object is to provide a possible semiconductor device.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, the present invention provides a first or second conductivity type low resistance layer, a voltage support layer including at least a first conductivity type semiconductor region disposed on the low resistance layer, and a surface of the voltage support layer. A second conductivity type well region disposed in a layer, a first conductivity type source region disposed in a surface layer of the second conductivity type well region, and a voltage support layer surrounded by the second conductivity type well region A gate electrode provided via a gate insulating film on the surface of the second conductivity type well region sandwiched between the first conductivity type surface region and the first conductivity type source region, which is a portion reaching In a MOS type semiconductor device having a source electrode provided in common contact with the surfaces of a conductive type source region and a second conductive type well region, and a drain electrode provided on the back side of the low resistance layer, Take measures like
[0024]
First, it is assumed that the first conductivity type surface region where the voltage support layer reaches the surface is surrounded by the second conductivity type well region.
In this way, unlike the conventional device having a structure in which the second conductivity type well region is surrounded by the first conductivity type surface region, the electric field strength is increased by the shape effect of the second conductivity type well region. Thus, even if the resistance of the voltage support layer is lowered, a high breakdown voltage can be secured. If the voltage support layer has a low resistance, a low on-resistance can be realized.
[0025]
Further, the area ratio of the first conductivity type surface region disposed surrounded by the second conductivity type well to the surface area of the second conductivity type well region including the first conductivity type source region having the MOS structure on the semiconductor surface. It is possible to reduce the capacitance Crss formed between the first conductivity type surface region and the gate electrode opposed via the gate insulating film. However, when the area ratio of the first conductivity type surface region of the semiconductor surface is reduced, the on-resistance is increased as described above.
[0026]
FIG. 6 shows the relationship between the area ratio, the gate-drain capacitance Crss and the on-resistance Ron described above for a prototype device in which the area ratio of the first conductivity type surface region is changed. The horizontal axis represents the area ratio of the first conductivity type surface region to the surface area of the second conductivity type well region including the first conductivity type source region, and the vertical axis represents Crss and Ron. In this prototype experiment, the area of the active region of the type of Example 1 described later is about 16 mm.²This was done for the n-channel MOSFET. The length of the first conductivity type surface region is 3.6 mm.
[0027]
FIG. 6 shows that Crss increases in proportion to the area ratio of the first conductivity type surface region. Therefore, it is desirable that the area ratio is as small as possible. In order to make Crss 15 pF or less which can be allowed by an actual device, the area ratio needs to be 0.23 or less.
On the other hand, Ron is minimized when the area ratio of the first conductivity type surface region is 0.15 to 0.2. When the area ratio is larger than 0.2, it gradually increases, but when it is smaller than 0.15, it rapidly increases. Therefore, in order to suppress Ron to less than twice the minimum value that can be tolerated by an actual device, the area ratio needs to be 0.01 or more.
[0028]
By combining these, the area ratio is preferably in the range of 0.01 to 0.2. Then, a device having both low on-resistance and low Crss can be realized.
Next, it is assumed that the shape of the first conductivity type surface region on the surface forms a stripe shape having a long length with respect to the width.
Even in such a case, since the stripe-shaped first conductivity type surface region is surrounded by the second conductivity type well region, the second conductivity type well region as in the conventional device becomes the first conductivity type surface region. Unlike the enclosed structure, it is possible to suppress an increase in electric field strength due to the shape effect of the second conductivity type well region, and a high breakdown voltage can be secured even if the resistance of the voltage support layer is lowered. .
[0029]
Furthermore, the width of the main portion of the stripe-shaped first conductivity type surface region on the semiconductor surface is set in the range of 0.1 to 2 μm.
By reducing the width of the stripe in the first conductivity type surface region, it is possible to reduce the capacitance Crss formed between the first conductivity type surface region and the gate electrode opposed via the gate insulating film. . However, at the same time, the on-resistance increases.
[0030]
FIG. 7 shows the relationship between the width of the first conductivity type surface region, the Crss, and the on-resistance Ron for the prototype device in which the width of the first conductivity type surface region is changed. The horizontal axis represents the width of the first conductivity type surface region, and the vertical axis represents Crss and Ron. The length of the surface area of the first conductivity type was 3.6 mm.
FIG. 7 shows that Crss increases in proportion to the width of the first conductivity type surface region. Therefore, it is desirable that the width be as small as possible. In order to make Crss 15 pF or less which can be accepted by an actual device, the width needs to be about 3 μm or less.
[0031]
On the other hand, Ron is minimized when the width of the first conductivity type surface region is 1.5 to 2 μm. When the width is larger than 2.5 μm, it gradually increases, but when the width is smaller than 1 μm, it increases rapidly. Therefore, the width needs to be 0.1 μm or more in order to keep Ron less than twice the minimum value allowable in the actual device.
Thus, the on-resistance and Crss are in a trade-off relationship within a short drain region. In order to achieve both low on-resistance and low Crss in practical use, the width of the first conductivity type surface region is limited to the range of 0.1 μm or more and 2 μm or less because Crss is preferably 15 pF or less and the on-resistance is preferably 1.5Ω or less. Is done. If small Crss can be realized in this way, switching loss can be reduced.
[0032]
Further, when the width of the main portion of the stripe-shaped first conductivity type surface region is widened, the electric field strength at the surface is increased and the breakdown voltage is lowered. On the other hand, when the width of the main portion of the surface drain region is narrowed, the JFET resistance increases and the on-resistance increases. However, by limiting the optimum dimension range as described above, the breakdown voltage does not decrease and the on-resistance increases. A device that does not become possible is possible.
[0033]
Also in the case of the striped first conductivity type surface region, the first conductivity disposed surrounded by the second conductivity type well region with respect to the sum of the surface areas of the second conductivity type well region and the first conductivity type source region. By reducing the area ratio of the shape surface region, it is possible to reduce the capacitance Crss formed between the first conductivity type surface region and the gate electrode opposed via the gate insulating film. At the same time, the on-resistance increases. However, by limiting the area ratio range of the first conductivity type surface region as described above, the on-resistance increases within an allowable range without causing a decrease in breakdown voltage. It is possible to make a device that can be kept small.
[0034]
By making a structure satisfying several means within one device, a device with improved performance becomes possible.
If the length of the stripe-shaped first conductivity type surface region is increased, the channel width in the same area is increased, so that the on-resistance is lowered, but on the other hand, the gate resistance inside the device is increased, which leads to the switching time. Slows and switching loss increases.
[0035]
Conversely, if the length is shortened by providing a gate electrode in the middle of the length direction of the first conductivity type surface area, etc., the gate resistance inside the device will be reduced and the switching time will be shortened. Since the channel width in the same area is narrowed, the on-resistance is increased.
That is, it is important to limit the length of the first conductivity type surface region to an appropriate range.
[0036]
The relationship between the length of the first conductivity type surface region, the input capacitance Ciss that governs the switching time, and the on-resistance Ron for the prototype device with the changed length of the first conductivity type surface region is shown in FIGS. Shown in The horizontal axis represents the length of the first conductivity type surface region, and the vertical axis represents Ciss or Ron. The width of the first conductivity type surface region was 1.6 μm and the surface area ratio was 0.12.
[0037]
In FIG. 8, when the length of the surface area of the first conductivity type is 500 μm or more, the Ciss value hardly changes, but when it is 500 μm or less, it gradually increases.
FIG. 9 is an enlarged characteristic view of the portion of the first conductivity type surface region in FIG. 8 having a length of 400 μm or less. It can be seen from FIG. 9 that Ciss increases rapidly when it becomes 100 μm or less. From this, it is n in order to shorten the switching time.^-It can be seen that the length of the surface region along one direction should be limited to 100 μm or more, preferably 500 μm or more.
[0038]
Next, the relationship with on-resistance is shown in FIGS. As can be seen from FIG. 10, when the length of the first conductivity type surface region is 500 μm or more, the on-resistance is almost unchanged, but when it is 500 μm or less, it gradually increases. FIG. 11 is a characteristic obtained by enlarging the portion of FIG. 10 where the length of the drain region is 400 μm or less. From FIG. 11, the on-resistance rapidly increases when the resistance becomes 100 μm or less. From this, it is n to reduce the on-resistance.^-The length of the surface region along one direction should be limited to 100 μm or more, particularly 500 μm or more.
[0039]
By doing so, it is possible to realize a device with low on-resistance and low switching loss.
Further, the gate electrode may be a plurality of striped portions.
If the second conductivity type well region is formed using such a gate electrode as a mask, a stripe-shaped first conductivity type surface region surrounded by the second conductivity type well region is inevitably formed below the second conductivity type well region. .
[0040]
It was previously described that the width of the first conductivity type surface region is limited to a range of 0.1 μm or more and 2 μm or less. The width of the first conductivity type surface region is determined by the width of the gate electrode serving as a mask when forming the second conductivity type well region and the lateral diffusion distance of the impurity concentration. Therefore, in order to set the width of the first conductivity type surface region to the above-mentioned appropriate value, the width of the gate electrode is set to 4 to 8 .mu.m, preferably 5 to 7 .mu.m, when the lateral diffusion distance is set to about 2 .mu.m. Will be good.
[0041]
For the same reason, the length of the first conductivity type surface region is determined by the length of the stripe-shaped gate electrode. The value should be 100 μm or more, preferably 500 μm or more.
If a narrow bridge portion connecting between the stripe-shaped gate electrodes is provided, the gate resistance is reduced.
[0042]
The width of the bridge portion of the gate electrode is assumed to be less than 4 μm.
If the width is less than 4 μm, if the lateral diffusion distance when forming the second conductivity type well region is about 2 μm, the second conductivity type well region is connected to the lower part of the bridge portion due to diffusion from both sides. A second conductivity type well region surrounding the one conductivity type surface region is formed.
[0043]
The arrangement frequency of the bridge portion of the gate electrode is 1 or less per 50 μm length of the gate electrode, preferably 1 or less per 250 μm.
When a large number of bridge portions of the gate electrode are provided, although the gate resistance inside the device is reduced, the gate-drain capacitance Cgd is increased, so that the switching speed is slow and the switching loss is increased. The second conductivity type well region is connected to the lower part of the gate electrode by diffusion from both sides. However, since the diffusion depth of the first conductivity type source region formed in the surface layer is shallow, the lateral diffusion distance is also small. It ’s not short. Accordingly, a channel is not formed below the bridge portion of the gate electrode and becomes an ineffective region, so that the channel width in the same area is narrowed, and the on-resistance is increased. It is not a good idea to increase the number of bridge parts without darkness. It is better not to provide one or more stripe-shaped gate electrodes with a length of 100 μm, preferably 500 μm.
[0044]
The voltage support layer may be formed of a first conductive type semiconductor region, a portion close to the surface of the first conductive type semiconductor region may be a high resistance layer, and a lower side may be formed of a low resistance layer. A so-called super junction type in which semiconductor regions and second conductivity type semiconductor regions are alternately arranged may be used.
Next, the following measures are taken for the breakdown voltage structure for increasing the breakdown voltage.
First, a first or second conductivity type low resistance layer, a voltage support layer including at least a first conductivity type semiconductor region disposed on the low resistance layer, and a second layer disposed on a surface layer of the voltage support layer In a semiconductor device comprising a conductive type well region and a plurality of second conductive type guard rings arranged on the semiconductor surface surrounding the second conductive type well region, the breakdown voltage of the semiconductor device is Vbr (V), When n is the number of second conductivity type guard rings, n is 1.0 × Vbr / 100 or more, and more preferably 1.5 × Vbr / 100 or more.
[0045]
FIG. 14 shows the relationship between the number n of guard rings and the breakdown voltage Vbr (V) for a two-dimensional simulation and a prototype device in which the number n (lines) of the second conductivity type guard rings is changed. The horizontal axis is the breakdown voltage Vbr (V), and the vertical axis is the number n of guard rings.
N used in the experiment^-The characteristics of the drift layer are the characteristics of a wafer using phosphorus as an impurity in Si. Specific resistance ρ = 18 Ωcm, thickness t = 48.5 μm Si (b1 line), ρ = 32.5 Ωcm, t = 76. There are two types of Si (b2 line) of 5 μm.
[0046]
In each wafer, the withstand voltage Vbr increases as the number of guard rings increases. However, n^-Saturation occurs at a breakdown voltage of about 97 to 98% of the theoretical breakdown voltage (650V, 1011V, respectively) in the case of planar junction calculated from the Si characteristics of the drift layer. Disappear.
As the number n of guard rings, an equation (b3 line) of n = 1.0 × Vbr / 100 is defined as the boundary where the region where the breakdown voltage is rapidly improved ends. Further, the relationship indicating the number of guard rings that can withstand a voltage that hardly increases even if the number of guard rings is increased is n = 1.5 × Vbr / 100 (b4 line).
[0047]
In the prior art withstand voltage structure, only about 90% of the planar junction withstand voltage calculated from the Si characteristics is limited. Therefore, the effect of increasing the withstand voltage can be expected by setting the number of guard rings more than that shown in the above formula.
On the other hand, the upper limit of n is defined as 6.0 × Vbr / 100 or less.
If the number of guard rings is increased, the width of the withstand voltage structure is widened, which causes a problem that the chip size is increased in an actual device. From FIG. 14, since the withstand voltage is saturated even when the number of guard rings is increased, it is practical to provide an upper limit for the number of guard rings. This upper limit corresponds to approximately 6 times the number of guard rings in relation to which the effect of the present invention starts, considering the resistance to the charge accumulation effect on the surface of the pressure resistant structure assumed in the durability test of the device to which the present invention is applied. It is. That is, the relational expression is n = 6.0 × Vbr / 100. By setting the number of guard rings below this relational expression, it is possible to reduce the chip size and increase the breakdown voltage while preventing the charge accumulation effect on the device surface.
[0048]
Next, the distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is set to 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less.
FIG. 15 shows the relationship between the interval and the breakdown voltage Vbr (V) obtained for the prototype device and the two-dimensional simulation in which the interval between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring is changed. The horizontal axis is the interval (μm), and the vertical axis is the breakdown voltage Vbr (V). N at this time^-As the characteristics of the drift layer, Si having ρ = 22.5 Ωcm and a thickness t = 57.0 μm was used. The junction depth of the p-well region and the guard ring is 3.5 μm.
[0049]
As the distance from the p-well region to the first guard ring is increased, the breakdown voltage decreases monotonously and becomes n at 3 μm.^-The breakdown voltage (c2 line) of the combination of the drift layer and the conventional breakdown voltage structure is almost the same.
From FIG. 15, the distance between the p-well region and the first guard ring is set to 1 μm or less.^-It can be understood that the breakdown voltage of the drift layer can be approximately 95% or more (c1 line), and the breakdown voltage can be improved by 5% over the conventional structure (c2 line). Furthermore, when the distance between the p-well region and the first guard ring is 0.5 μm or less, the breakdown voltage is improved by about 7.5% over the conventional structure.
[0050]
The relationship between on-resistance and breakdown voltage is Ron ∝ Vbr^2.5It is known. Therefore, if the interval is 0.5 μm or less, the on-resistance can be reduced by 20%, and an epoch-making effect can be obtained.
In addition, when the well and the first guard ring are connected at the semiconductor surface portion, if the connection portion of the surface portion is depleted, the electric field strength can be relaxed and the withstand voltage can be maximized.
[0051]
In FIG. 15, the breakdown voltage increases from 0 μm indicating the connection between the p-well region and the first guard ring to the negative size region indicating the overlap between the p-well and the guard ring, and is saturated at about −1 μm. The reason for this is that when the guard ring is separated from the p-well region, the electric field strength increases due to the curvature shape of the pn junction in the p-well region, and the breakdown voltage is reduced. This is because the curvature shape effect is almost eliminated when the overlap between the region and the guard ring is about 1 μm.
[0052]
Further, the distance between the first and second second conductivity type guard rings counted from the second conductivity type well region side is 1.5 μm or less, preferably 1.0 μm or less, and further 0.5 μm or less.
FIG. 16 shows the relationship between the interval and the withstand voltage Vbr (V) obtained for the prototype device and the two-dimensional simulation in which the interval between the first and second second conductivity type guard rings is changed. The horizontal axis is the interval (μm), and the vertical axis is the breakdown voltage Vbr (V).
[0053]
The distance between the p-well region and the first guard ring is 0.5 .mu.m, indicated by the d1 line, the distance of 1.0 .mu.m is indicated by the d2 line, and the distance of 1.5 .mu.m is indicated by the d3 line. An important item required for the second and subsequent guard rings is how to prevent the breakdown voltage set by the first guard ring from being dropped. Therefore, by setting the distance between the first and second guard rings to 1.5 μm or less, it is possible to ensure a breakdown voltage of approximately 98% or more determined by the relationship between the p-well and the first guard ring. By setting the thickness to 1.0 μm or less, a withstand voltage structure that can secure 99% or more and 0.59.5 μm or less can be secured.
[0054]
For the same reason as described above, the narrower the distance between the first guard ring and the second guard ring, the more the electric field strength at the junction with the voltage support layer can be relaxed, and the higher withstand voltage can be achieved.
Furthermore, the distance between the second and third second conductivity type guard rings counted from the second conductivity type well region side is set to 2.0 μm or less, preferably 1.0 μm or less.
[0055]
Table 1 shows the relationship between the interval and the breakdown voltage Vbr (V) obtained for the prototype device and the two-dimensional simulation in which the interval between the second and third second conductivity type guard rings is changed. The parameter is the distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring. The distance between the first and second second conductivity type guard rings was 1.0 μm.
[0056]
[Table 1]

[0057]
In either case, by setting the distance between the second and third guard rings to 2.0 μm or less, it is possible to secure approximately 99% or more of the breakdown voltage determined by the p-well, the first, the first, and the second guard rings. If the thickness is 1.0 μm or less, 99.5% or more of the breakdown voltage can be secured. In the same manner as described above, the electric field strength at the junction can be relaxed, and a high breakdown voltage can be achieved.
[0058]
If the distance between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring is 2.5 μm or less, preferably 2.0 μm or less, the electric field strength at the junction can be similarly reduced, High breakdown voltage can be achieved.
The depth of the shallower junction depth of the second conductivity type well region and the second conductivity type guard ring is defined as d.₁The distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is d.₁/ 4 or less, preferably d₁/ 8 or less.
[0059]
These are slightly different from each other, based on the second conductivity type well region or the junction depth of the second conductivity type guard ring, and the distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring. Is specified. As described above, the electric field strength at the junction can be relaxed, and a high breakdown voltage can be achieved.
The junction depth of the second conductivity type guard ring is d₂The distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring is d.₂/ 4 or less, preferably d₂/ 8 or less.
[0060]
Further, the distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring is defined as d.₂/ 4 or less, preferably d₂/ 8 or less.
These are also based on the junction depth of the second conductivity type guard ring from a different viewpoint, and the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring, or the second second conductivity type The distance between the guard ring and the third second conductivity type guard ring is defined. As described above, the electric field strength at the junction can be relaxed, and a high breakdown voltage can be achieved.
[0061]
The distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring is l₁, The distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring₂L₂-l₁Is 1 μm or less, and the distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring is l₂The distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring is l_ThreeL_Three-l₂Is 1 μm or less. Furthermore, the distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring is_ThreeThe distance between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring is l_FourL_Four-l_ThreeIs 1 μm or less.
[0062]
This is also a different view. If the distance between two adjacent points is too different, the electrolytic strength increases at the larger part and yields. In order to avoid this, at least up to the vicinity of the fourth guard ring, the difference between two adjacent spaces should be 1 μm or less.
However, the distance difference l₂-l₁, L_Three-l₂, L_Four-l_ThreeIf the value is set smaller than 0.5 μm, there is an effect that the withstand voltage is not lowered. However, since the potential difference between the guard rings is reduced and the dimensional efficiency is deteriorated, at least 0.2 μm is desirable. The optimum range is about 5 μm, that is, 0.2 to 0.8 μm.
[0063]
When the number of second conductivity type guard rings is large, for example, the width of the first second conductivity type guard ring is larger than the width of the fifth second conductivity type guard ring, The width of the second conductivity type guard ring is larger than the width of the sixth second conductivity type guard ring, and the width of the third second conductivity type guard ring is larger than the width of the seventh second conductivity type guard ring. Stipulate.
[0064]
This is because the electric field strength of the inner guard ring, which has a higher electric field strength than the vicinity of the outer guard ring, can be reduced.
Further, a conductor film is disposed on the surface of the voltage support layer between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring via an insulating film.
By disposing the conductor film in such a manner, the influence of the charge on the surface of the breakdown voltage structure on the semiconductor surface can be shielded, so that a stable breakdown voltage can be secured.
[0065]
In particular, it is assumed that the conductor film has a floating potential.
Since the above effect does not change even when the conductor is at a floating potential, it is not necessary to connect to the adjacent similar conductor film.
Exactly the same, between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring, between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring, The same effect can be obtained even if a conductor film is disposed on the surface of the voltage support layer between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring via an insulating film.
[0066]
They may also be floating potentials.
The voltage support layer may be a first conductive type semiconductor region, a first conductive type semiconductor region may be a high resistance layer on the surface side and a lower resistance layer may be a low resistance layer, A so-called super junction type in which the second conductivity type semiconductor regions are alternately arranged may be used.
[0067]
A protective film made of an organic polymer material film is disposed on the surface of the semiconductor device for protection.
Resistivity in a region shallower than the second conductivity type well region of the first conductivity type surface region disposed surrounded by the second conductivity type well region disposed on the semiconductor surface is greater than that of the second conductivity type well region. It should be lower than the resistivity of the deep voltage support layer. The doping amount of phosphorus ions in the surface region of the first conductivity type is 2 × 10¹²~ 5x10¹²cm^-2, Preferably 2.5 × 10¹²~ 4.0 × 10¹²cm^-2And good.
[0068]
By doing so, similar to the counter-doping method described above, there is an effect in reducing the JFET resistance in the surface drain region disposed surrounded by the second conductivity type well region. In particular, in the present invention, since the area ratio of the surface drain region is defined to be smaller than that of the conventional one, the JFET resistance tends to increase, so that the effect of counter-doping is also great.
[0069]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[Example 1]
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of an active portion through which a main current flows in the n-channel vertical MOSFET according to the first embodiment of the present invention. The MOSFET chip is provided with a withstand voltage structure portion such as a guard ring and a field plate for maintaining a withstand voltage mainly in the peripheral region, which will be described later.
[0070]
Low resistance n⁺N of high specific resistance on the drain layer 11^-A p-well region 13 is selectively formed in the surface layer of the drift layer 12, and n in the p-well region 13.⁺A source region 15 is formed. Between the p-well regions 13, n^-N which is part of the drift layer 12^-The surface region 14 reaches the surface. 21 is a high impurity concentration p for improving contact resistance.⁺It is a contact area.
[0071]
n⁺Source region 15 and n^-On the surface of the p-well region 13 sandwiched between the surface region 14, a polycrystalline silicon gate electrode 18 is provided via a gate insulating film 17. 19 is n⁺Source region 15 and p⁺The source electrode is in contact with the contact region 21 in common. As described above, the source electrode 19 is often extended onto the gate electrode 18 through the interlayer insulating film 22 formed on the side and the side of the gate electrode 18. n⁺A drain electrode 20 is provided on the back side of the drain layer 11.
[0072]
The operation mechanism of this device will be briefly described.
In the blocking state, the p-well region 13 having the same potential as that of the grounded source electrode 19 is generally n^-The depletion layer spreads toward the drift layer 12 side, and a breakdown voltage determined by the width of the depletion layer and the electric field strength is secured. The spread of the depletion layer is n^-The thickness and specific resistance of the drift layer 12 are determined, and in order to obtain a high breakdown voltage, the specific resistance is increased and the thickness is increased.
[0073]
When a positive potential is applied to the gate electrode 18 with respect to the source electrode 19, an inversion layer is formed on the surface layer 16 of the p-well region 13 via the gate oxide film 17 and operates as a channel.⁺N from source region 15 through the channel^-Flows to the surface drain layer 14 and n^-Drift layer 12, n⁺It flows through the drain layer 11 to the drain electrode 20 and is turned on.
[0074]
The cross-sectional view of FIG. 2 is very similar to the conventional one of FIG.^-The width of the surface region 14 is narrow.
Rather, it is the plan view of the surface of the semiconductor substrate of FIG. 1 that clearly shows the features of the vertical MOSFET of the first embodiment. In FIG. 1, the breakdown voltage structure portion usually provided in the peripheral region of the semiconductor element is omitted because it is not related to the essence of the first embodiment of the present invention.
[0075]
In FIG. 1, a p-type well region 13 has a number of stripe-shaped n extending in one direction.^-It is disposed around the surface region 14. (For convenience of explanation, some n^-The surface region 14 is omitted and indicated by dots. ) Striped n^-The reason why the surface region 14 has several lengths is to correspond to the source electrode 19 and the gate metal electrode 27 in the electrode arrangement diagram on the chip surface of FIG. In the wide portion of the source electrode 19, a long stripe n^-In the portion where the surface region 14a is arranged and the gate metal electrode 27 is inserted, a short stripe n^-In a portion where the surface region 14b and the gate electrode pad 29 are provided and the width of the gate metal electrode is wide, a shorter stripe n^-It is a surface region 14c.
[0076]
In FIG. 3, a source pad 28 for connecting to an external terminal is provided inside the source electrode 19. A gate metal electrode 27 surrounds the source electrode 19 and a part thereof is disposed toward the inside of the source electrode 19, and a gate for connecting to an external terminal at a part of the gate metal electrode 27 toward the inside of the source electrode 19 A pad 29 is provided. The peripheral electrode 30 on the outermost periphery in FIG. 3 is the same potential as the drain electrode 20 and is a stopper electrode for suppressing the spread of the depletion layer generally provided on the outermost periphery of the breakdown voltage structure.
[0077]
FIG. 4 is a plan view showing the shape of the gate electrode 18 serving as a mask for creating each region of the semiconductor surface of FIG. 1 and the relative arrangement relationship between the gate electrode 18 and the source electrode contact portion 24. However, the stripe length is a fixed part. Both of the striped source electrode contact portions 24 and the gate electrodes 18 are alternately arranged. The terminal portion of the gate electrode 18 extending in one direction is once narrowed and then widened again. This gate electrode is thinned before the termination to minimize the area of the gate electrode other than the active region, and when forming the p-well region 13 using the gate electrode 18 as a mask in the process, the acceptor impurity concentration is reduced. This is because Crss can be reduced by covering under the thinned gate electrode as much as possible by diffusion. Further, the end of the gate electrode 18 is wide because a junction 26 for connection to the gate metal electrode is provided. The gate metal electrode 27 of FIG. 3 is aligned on the junction portion 26.
[0078]
Returning again to FIG.^-Small n surrounded by the p-well region 13 at the end of the surface regions 14a, 14b, 14c^-It can be seen that the surface region 14d is arranged. This n^-The surface region 14d is a portion below the junction portion 26 at the end of the gate electrode 18, and was not surrounded by the p-well region 13 when the dimension of the junction portion 26 was set to a size necessary for processing capability. Is. If the process capability is high enough, this n^-The surface region 14d is covered with the p-well region 13 and disappears.
[0079]
FIG. 5 is a partial cross-sectional view taken along line AA in FIG. A state of connection between the gate electrode 18 and the gate metal electrode 27 at the joint portion 26 is seen. 17 is a gate oxide film, 17a is a thick field oxide film, and 19 is a source electrode. The position of the portion along the AA line on the surface electrode is shown as the AA line in FIG.
The main dimensions of the MOSFET of Example 1 were as follows.
[0080]
The width of the gate electrode 18 in FIG. 4 is 5.6 μm, the length is 3.6 mm, and the distance between the gate electrodes 18 is 9.4 μm, that is, the cell pitch is 15 μm. Impurities for forming the p-well region 13 are introduced using the gate electrode 18 as a mask. As a result, n in FIG.^-The width of the surface region 14a is 1.6 μm, and the width of the p-well region 13 therebetween is 13.4 μm. The diffusion depth of the p-well region 13 in FIG. 2 is about 4 μm, n⁺The width of the source region 15 is 2.5 μm, the diffusion depth is 0.3 μm, and the width of the source electrode contact region 24 in FIG. 4 is 7 μm. At this time, n with respect to the area of the p-well region 13 on the semiconductor surface^-The area ratio of the surface region 14 is approximately 0.12.
[0081]
By the way, the same n^-The area ratio of the surface region 14 to the area of the p-well region 13 is about 3, 2, and 1 in the conventional MOSFETs of FIGS.
FIG. 13 is a partial cross-sectional view of the breakdown voltage structure portion of the n-channel vertical MOSFET of this embodiment. There is an active part on the left side of the figure, and the right end is the end of the MOSFET. As an example, the withstand voltage class is 600V.
[0082]
n^-A p-periphery region 33 is formed at the end of the surface layer of the drift layer 12, and a peripheral electrode 30 is provided on the surface thereof. 37 is a polyimide film for surface protection.
g₁~ G₁₄Is a p guard ring. That is, 14 guard rings g between the source electrode 19 and the peripheral electrode 30 of the drain electrode potential₁~ G₁₄Is provided. The numerical values shown below between the two guard rings indicate the distance between the guard rings in μm units, and the distance increases as the distance from the source electrode 19 increases.
[0083]
Withstand voltage BV_DSS= 600V (hereinafter also referred to as Vbr), n^-The drift layer 12 has a specific resistance of 20 Ωcm and a thickness of 50 μm.
For the withstand voltage Vbr = 600V, the number of guard rings is 14. This number is larger than 1.0 × 600/100 = 6, which is a value obtained from 1.0 × Vbr / 100, an expression that defines the number n of guard rings previously described.
[0084]
p-well region 13 and first guard ring g₁The connection is 0 μm. 1st guard ring g₁And second guard ring g₂The distance between each guard ring is 1 μm, 1.5 μm, 2 μm, 2.5 μm, 3 μm, 3.5 μm, 4 μm, 5 μm, 6 μm, 7 μm, 8 μm, 9 μm and 0.5 to 0.5 μm. It is set to increase by 1 μm. The width of the guard ring g is 14.5 μm, 14.5 μm, 13.5 μm, 13.5 μm, 13.5 μm, 12.5 μm, 12.5 μm, 11.5 μm, 11.5 μm, 10 from the first. The width is set to be smaller as the distance becomes farther, such as 5 μm, 10.5 μm, 10.5 μm, 10.5 μm, and 10.5 μm. The depth of the guard ring g was 4 μm as in the p well region 13.
[0085]
In general, the breakdown voltage of the device is such that when the source electrode 19 is set to the ground potential and a positive bias is applied to the drain electrode 20, the p-well region 13 and n^-The depletion layer is n from the pn junction between the drift layers 12^-It spreads toward the drift layer 12.
In the active part, this depletion layer is n-side below the p-well region 13 on the semiconductor surface^-It spreads toward the drift layer 12.
[0086]
On the other hand, in the breakdown voltage structure portion, the lower n side from the p well region 13 is used.^-In addition to the drift layer 12, the depletion layer also extends in the lateral direction. Guard ring g against this laterally spreading depletion layer₁~ G₁₄Are located very close so that the p-well region 13 and the first p-guard ring g₁In the semiconductor surface portion between the two, the electric field strength which is increased by the shape effect due to the curvature of the diffusion layer of the p-well region 13 can be suppressed. Similarly, the electric field strength between the guard rings can be suppressed.
[0087]
With the above setting, the withstand voltage became 664V. This is a specific resistance of 20 Ωcm, n^-This means that a breakdown voltage of 97% of the theoretical breakdown voltage of 684 V when the thickness of the drift layer is 50 μm can be secured.
In the conventional breakdown voltage structure, the p-well region and n^-The curvature shape part of the pn junction part between the drift layer and the drift layer is a cause of lowering the breakdown voltage. By arranging the first guard ring in the immediate vicinity, the depletion layer extending from the p well region can be easily reduced to 1 The second guard ring is reached, and the electric field strength in the curvature shape portion can be extremely reduced.
[0088]
Since a similar relationship is established between adjacent guard rings, such as between the first guard ring and the second guard ring, between the second guard ring and the third guard ring, n^-High breakdown voltage can be achieved even when the resistivity of the drift layer is low.
Furthermore, according to Hu's paper [Rec. Power Electronics Specialists Conf., San Diego, 1979 (IEEE, 1979) p.385], the on-resistance Ron of a unipolar device is
[0089]
[Equation 3]
Ron∝ (Vbr)^2.5
It is known that it is proportional to the 2.5th power of the breakdown voltage Vbr.
[0090]
That is, if the breakdown voltage is improved by 1%, the on-resistance can be reduced by about 2.5% (since a thin wafer with the same specific resistance can be used). Therefore, an increase in breakdown voltage of 5% leads to a reduction in on-resistance of about 13%, and an increase in breakdown voltage of 7.5% has a significant reduction of 20% in on-resistance and a revolutionary effect.
Here, the p-well region 13 and the first guard ring g₁The meaning of connection with the interval of 0 μm is added.
[0091]
p-well region 13 and first guard ring g₁Is connected with an interval of 0 μm, so the first guard ring g₁Although it may seem meaningless at first glance, even if they are connected or overlapped as shown in FIG. 15, the breakdown voltage is improved.
p-well region 13 and first guard ring g₁There is another meaning that the distance between and is 0 μm. p-well region 13 and first guard ring g₁In the impurity introduction mask for forming the p well region 13 and the p well region 13, even if there is an overetching of 0.5 μm or less due to process variations, 1st guard ring g₁Is kept to 0.5 μm or less. In this way, it has an effect of compensating the process variation to some extent.
[0092]
MOSFETs with different withstand voltage classes were prototyped and compared with the conventional MOSFET of FIG. FIG. 12 is a characteristic comparison diagram comparing the relationship between breakdown voltage and RonA. Horizontal axis is pressure resistant BV_DSS(V), vertical axis represents on-resistance RonA (mΩcm²) And both are logarithmically displayed.
RonA is almost half that of the prior art, indicating that the effect of the present invention is very large. From the tendency of the figure, this effect can be expected even at a withstand voltage of 150 V or less, although it is not prototyped.
[0093]
Furthermore, the product of the on-resistance and the capacitance between the gate and drain [Ron · Crss] of the prototype MOSFET was compared with the conventional product for each of three types of withstand voltage classes and summarized in Table 2.
[0094]
[Table 2]

[0095]
Both Ron and Crss are about 1/5 of the prior art.
The loss of the device is determined by the on-resistance and the switching loss. Since the switching loss becomes smaller as Crss becomes smaller, the device having a smaller [Ron · Crss] product has a smaller loss. This characteristic also shows that the product of the present invention is much smaller than the conventional product and is very effective.
[0096]
When the width of the gate electrode 18 is increased, like the tendency of FIG. 6, although there is not much fluctuation of Ron, Crss increases and switching loss increases. Conversely, if the width of the gate electrode 18 is reduced, Crss decreases, but Ron increases and the steady loss increases.
In the first embodiment, the length of the gate electrode extending in one direction along one direction is about 4 mm, which is substantially equal to the size of the active portion through which the main current of the chip flows. This length may be substantially equal to the size of the active portion of the chip, but it is of course possible to provide a portion connected to the gate electrode at an interval of 100 μm or more, preferably 500 μm or more in order not to increase the internal gate resistance. .
[0097]
As can be seen from the fact that the cross-sectional view of FIG. 2 is substantially the same as the conventional one of FIG. 36, the manufacturing process of the MOSFET of Example 1 may be substantially the same as the conventional one, just changing the pattern. Can be realized.
[Example 2]
FIG. 41 is a partial cross-sectional view of an active portion through which a main current flows in the n-channel vertical IGBT according to the second embodiment of the present invention. The IGBT chip is mainly provided with a withstand voltage structure portion such as a guard ring and a field plate for holding a withstand voltage in a peripheral region, which will be described later.
[0098]
Low resistance p⁺N of high specific resistance on the drain layer 11a^-A p-well region 13 is selectively formed in the surface layer of the drift layer 12, and n in the p-well region 13.⁺A source region 15 is formed. Between the p-well regions 13, n^-N which is part of the drift layer 12^-The surface region 14 reaches the surface.
n⁺Source region 15 and n^-On the surface of the p-well region 13 sandwiched between the surface region 14, a polycrystalline silicon gate electrode 18 is provided via a gate insulating film 17. 19 is n⁺Source region 15 and p⁺The source electrode is in contact with the contact region 21 in common. As described above, the source electrode 19 is often extended onto the gate electrode 18 through the interlayer insulating film 22 formed on the side and the side of the gate electrode 18. p⁺A drain electrode 20 is provided on the back side of the drain layer 11a.
[0099]
The plan view of the semiconductor surface, the contact of the gate electrode, the metal electrode, and the like may be exactly the same as those of FIGS.
The difference from the MOSFET of the first embodiment is the cross-sectional structure, in which the drain electrode 20 is in contact with n⁺P, not the drain layer⁺This is a point that it is the drain layer 11a.
[0100]
The operation is the same in that the current flowing from the drain electrode 20 to the source electrode 19 is controlled by the signal to the gate electrode 18, but p⁺Drain layers 11a to n^-Since holes are injected into the drift layer 12, the bipolar mode is set, and the on-resistance is lower than that of the MOSFET.
Also in this IGBT, the on-resistance was reduced by about 30% compared to the conventional IGBT.
[0101]
[Example 3]
FIG. 42 is a partial cross-sectional view of an active portion through which a main current flows, in an n-channel vertical IGBT according to the third embodiment of the present invention.
The difference from the IGBT of Example 2 in FIG.^-The drift layer is a point composed of a high resistivity portion 12a and a low resistivity portion 12b.
[0102]
Since the low resistivity portion 12b limits the spread of the depletion layer when a reverse voltage is applied, there is an advantage that the thickness of the high specific resistivity portion 12a can be reduced.
Therefore n^-The voltage drop in the drift layer is reduced, and an IGBT having a lower on-resistance than that of the IGBT of Example 2 can be obtained.
[Example 4]
FIG. 17 is a partial cross-sectional view of an active portion of an n-channel vertical MOSFET according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a perspective view.
[0103]
The difference between the vertical MOSFET of the first embodiment and FIG. 2 is that n between the two p-well regions 13 in the active portion is different.^-An n-counter doped region 34 is formed where the surface region 14 was formed.
The n counter-doped region 34 is, for example, a dose amount of 2.5 × 10¹²~ 4.0 × 10¹²cm^-2It is formed by ion implantation and heat treatment of phosphorus ions. The depth is about 4 μm.
[0104]
FIG. 43 shows the relationship between the dose amount of phosphorus ions, the withstand voltage Vbr, and the on-resistance Ron. The horizontal axis represents the dose amount, and the vertical axis represents Vbr or Ron. In FIG. 43, the dose amount of phosphorus ions is 2.5 × 10¹²cm^-2The above Ron is almost unchanged, but 2.0 × 10¹²cm^-2Below, Ron increases rapidly. Further, the dose amount of phosphorus ions is 4.0 × 10.¹²cm^-2The following Vbr values are almost unchanged, but 5.0 × 10¹²cm^-2Above, Vbr has fallen rapidly. Also at VGS = -30V, 4.4 × 10¹²cm^-2With the above, Vbr is rapidly decreased. Based on these results, the dose is 2.0 × 10¹²~ 5.0 × 10¹²cm^-2, More preferably 2.5 × 10¹²~ 4.0 × 10¹²cm^-2The range of is good.
[0105]
By forming the n counter-doped region 34, the JFET resistance constituted by the surface drain region surrounded by the p-well region 13 is reduced, the series resistance is reduced, and the on-resistance is lowered.
In this embodiment, since the area ratio of the surface drain region is reduced, the JFET resistance increases. For this reason, the effect of reducing the on-resistance due to counter-doping is great.
[0106]
FIG. 19 is a partial cross-sectional view of the breakdown voltage structure portion of the n-channel vertical MOSFET of the fourth embodiment. The difference between the vertical MOSFET of the first embodiment and FIG. 13 is that the number of guard rings is six for the withstand voltage Vbr = 600V.
This number is the same as 1.0 × Vbr / 100 = 6, which is obtained from the above-described equation that defines the number n of guard rings.
[0107]
With this setting, a breakdown voltage of 92% of 622 V and the theoretical breakdown voltage of 684 V could be secured. Of course, if the number of guard rings is increased, the withstand voltage can be further increased.
Also for the MOSFET of Example 4, n⁺P instead of drain layer⁺Drain layer or low resistivity portion 12b and p of FIG.⁺By providing the drain layer, an IGBT can be formed as in the second and third embodiments. The same applies to the MOSFET examples up to Example 14 thereafter.⁺An IGBT can be obtained by replacing the drain layer.
[0108]
[Example 5]
FIG. 20 is a partial cross-sectional view of the breakdown voltage structure portion of the n-channel vertical MOSFET according to the fifth embodiment of the present invention.
The vertical MOSFET of the first embodiment is different from that of FIG. 13 in that the number of guard rings is six and the polycrystalline silicon film as a conductor on the field oxide film 17a between the two p guard rings. The field plate 35 is formed.
[0109]
In the actual use state of the device, a voltage is applied between the drain electrode 20 and the source electrode 19. An item that affects the reliability when a long-term voltage is applied is the charge accumulation effect on the device surface. When a voltage is also applied between the electrodes at both ends of the breakdown voltage structure, charges are induced on the surface of the breakdown voltage structure, and the semiconductor surface, particularly n^-This affects the surface portion of the drift layer 12 and disturbs the electric field inside the semiconductor, leading to breakdown voltage degradation.
[0110]
In this example, the interlayer insulating film 22 of the breakdown voltage structure portion and n^-By providing a field plate 35 made of a polycrystalline silicon film in the middle of the surface of the drift layer 12 and the surface of the field oxide film 17a, the influence of surface charge can be suppressed using the electrostatic shielding effect. In the active portion, the source electrode 19 and the gate electrode 18 are n^-Since the surface of the drift layer is covered, the structure is not affected by the surface charge.
[0111]
That is, n between the p well region 13 and the first guard ring g1 and between the guard rings.^-By disposing a field plate 35 of a polycrystalline silicon film, which is a conductor, on the surface region 14 via a field oxide film 17a, the surface charge accumulation effect can be prevented and a reliability effect can be expected. The breakdown voltage was almost the same as in Example 2. Although the potential of the field plate 35 is floating, an appropriate potential can be applied by providing wiring.
[0112]
[Example 6]
FIG. 21 is a plan view showing a relative arrangement relationship between the source electrode contact portion 24 and the gate electrode 18 of the n-channel vertical MOSFET according to the sixth embodiment of the present invention. The breakdown voltage structure was the same as in Example 1.
A difference from the structure described in FIG. 4 of the first embodiment is that, in addition to both ends of the stripe-shaped gate electrode 18, a junction portion 26 with the gate metal electrode is provided in the middle. By doing this, there is an effect in reducing the internal gate resistance and suppressing the increase in on-resistance.
[0113]
By providing the junction portions 26 at the respective ends of the half-length striped gate electrode 18, the structure of the sixth embodiment can increase the efficiency of the active portion area.
The plan view of the semiconductor substrate surface is n^-The surface region 14 is interrupted and a small n^-The surface area is sandwiched. If processing accuracy is high, the small n^-The surface area can be eliminated.
[0114]
In the sixth embodiment, only one joint portion 26 with the gate metal electrode is provided in the middle of the gate electrode 18, but naturally a plurality of joint portions 26 are provided for the same gate electrode extending in one direction. Is also possible.
[Example 7]
FIG. 22 is a plan view of the surface of the semiconductor substrate of the n-channel vertical MOSFET according to the seventh embodiment of the present invention. Note that FIG. 22 does not show the breakdown voltage structure as in FIG. The breakdown voltage structure was the same as in Example 1.
[0115]
In this example, n^-A surface region 14 (abbreviated by a plurality of points) is basically surrounded by a p-well region 13 and has a shape extending in one direction as in FIG. 1 of the first embodiment. The difference from FIG.^-The surface region 14 extends in one direction and has a plurality of convex portions 31 in a direction substantially perpendicular to the extending direction.
[0116]
The arrangement frequency of the convex portions 31 is set to approximately one per 250 μm, and n of the convex portions 31 is set.^-The dimension in the direction perpendicular to the extending direction of the surface region 14 is about 0.5 μm.
FIG. 23 is a plan view showing the shape of the gate electrode 18 serving as a mask for creating each region of the semiconductor surface of FIG. 22 and the relative arrangement relationship between the gate electrode 18 and the source electrode contact portion 24.
[0117]
The shape of FIG. 23 is different from the shape of FIG. 4 in that the gate electrode 18 extending in one direction is provided with a gate electrode bridge 32 perpendicular to the extending direction. The frequency of the gate electrode bridges 32 is set to approximately one per 250 μm. The width of the gate electrode bridge 32 is set to 2.5 μm.
[0118]
When the p well region 13 is formed by introducing impurities using the gate electrode 18 as a mask, the diffusion to the surface lateral method of the p well region 13 is designed to be 2 μm. Since the diffusion regions from both sides of the two are connected, one p-well region 13 is formed. However, since the diffusion region from both sides is not connected in the portion below the base of the bridge 32, n^-The convex part 31 of the surface region remains.
[0119]
In this example, since the gate electrode 18 is connected by the bridge 32, the gate resistance is reduced and the on-resistance is also reduced.
[Example 8]
FIG. 24 is a plan view showing the gate electrode 18 of the n-channel vertical MOSFET according to the eighth embodiment of the present invention and the relative positional relationship between the gate electrode 18 and the source electrode contact portion 24. The breakdown voltage structure was the same as in Example 1.
[0120]
A difference from the structure described with reference to FIG. 23 of the seventh embodiment is that, in addition to both ends of the stripe-shaped gate electrode 18, a junction 26 with the gate metal electrode is provided in the middle.
This is effective in reducing the internal gate resistance and suppressing the increase in on-resistance. By providing the junction portions 26 at the respective ends of the half-length striped gate electrode 18, the structure of the eighth embodiment can increase the efficiency of the active portion area.
[0121]
The plan view of the semiconductor substrate surface is n^-The surface region 14 is interrupted and a small n^-The surface area is sandwiched. If the processing accuracy is high, this n^-The surface region 14d can be eliminated.
In the eighth embodiment, the junction with the gate metal electrode is only provided at one position in the middle of the gate electrode extending in one direction. Of course, a similar structure is provided for the gate electrode extending in one direction. It is also possible to provide a plurality of locations.
[0122]
[Example 9]
FIG. 25 is a plan view of the surface of the semiconductor substrate of the n-channel vertical MOSFET according to the ninth embodiment of the present invention. In FIG. 25, the breakdown voltage structure is omitted as in the first embodiment. The breakdown voltage structure was the same as in Example 1.
In FIG. 25, n^-The surface region 14 has a stripe shape extending in one direction, and a plurality (a plurality of points are omitted) are arranged in parallel, and the periphery is surrounded by a p-well region 13.
[0123]
FIG. 26 is a plan view showing the shape of the gate electrode 18 serving as a mask for creating each region of the semiconductor surface of FIG. 25 and the positional relationship between the gate electrode 18 and the source electrode contact portion 24.
A plurality of gate electrodes 18 having a shape extending in one direction are arranged. The difference from FIG. 4 of the first embodiment is that the width of the gate electrode 18 extending in one direction is the same as a whole. If the processing accuracy is sufficiently high, the gate metal electrode contact portion 26 can be formed within the width of the gate electrode 18 in this way.
[0124]
27 is a partial cross-sectional view taken along line BB in FIG. A state of connection between the gate electrode 18 and the gate metal electrode 27 at the joint portion 26 is seen. 17 is a gate oxide film, 17a is a thick field oxide film, and 19 is a source electrode. Compared to FIG. 5 of Example 1, n^-It can be seen that there is no surface region 14d.
The position on the surface electrode along the BB line is shown as the BB line in FIG.
[0125]
Further, in the ninth embodiment, the shape of the gate electrode 18 extending in one direction is dropped so that it does not become an acute angle. However, even if it is terminated at a right angle, the action and effect of the contents of this patent are achieved. There is no effect.
[Example 10]
Next, FIG. 28 is a plan view showing the shape of the gate electrode 18 and the arrangement of the gate electrode 18 and the source electrode contact portion 24 of the n-channel vertical MOSFET according to the tenth embodiment of the present invention. The breakdown voltage structure was the same as in Example 1.
[0126]
A difference from the structure described in FIG. 26 of the ninth embodiment is that, in addition to both ends of the stripe-shaped gate electrode 18, a junction 26 with the gate metal electrode is provided in the middle.
This is effective in reducing the internal gate resistance and suppressing the increase in on-resistance. By providing the junction portions 26 at the respective ends of the half-length striped gate electrode 18, the structure of the second embodiment can increase the efficiency of the active portion area.
[0127]
[Example 11]
FIG. 29 is a perspective sectional view of the breakdown voltage supporting layer portion of the n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 11 of the present invention.
In all the examples so far, there is a single voltage support layer.^-It was the drift layer 12. However, the voltage support layer does not have to be a single layer.
[0128]
In recent years, particularly in a high breakdown voltage semiconductor device, a so-called super pn layer in which a parallel pn layer in which n drift regions 42a and p partition regions 42b having a high impurity concentration and a narrow width that are depleted when a reverse voltage is applied is arranged alternately is used as a voltage support layer. Junction semiconductor devices have been developed.
FIG. 30 is a partial cross-sectional view of the main part of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 11 of the present invention.
[0129]
In FIG. 30, n drift regions 42a and p partition regions 42b are alternately arranged on the low resistance n drain layer 11, and this parallel pn layer 42 has a withstand voltage when a reverse voltage is applied. For example, when each width is about 5 μm, the impurity concentration is a single n^-The concentration can be increased 100 to 1000 times that of the drift layer 12, and the thickness can be reduced, and the on-resistance can be reduced accordingly.
[0130]
FIG. 31A is a plan view of the semiconductor substrate surface of the breakdown voltage structure portion, FIG. 31B is a cross-sectional view taken along the line CC, and FIG. 31C is a cross-sectional view taken along the line DD.
In FIG. 31B, the p guard ring runs in parallel with the n drift region 42a and the p partition region 42b. In FIG. 31C, the p guard ring is orthogonal to the n drift region 42a and the p partition region 42b. is doing.
[0131]
In FIG. 31 (c), a plurality of p guard rings are short-circuited by the p partition region 42b. However, since the thickness of the p partition region 42b is very thin, there is no problem because it is depleted during reverse bias. It was confirmed in.
As seen in FIGS. 31A, 31B and 31C, the outermost peripheral portion of the n-channel vertical MOSFET stops the parallel pn layer 42 to form a high resistance region 38.
[0132]
In FIG. 30, the direction of the n drift region 42 a and the p partition region 42 b and the direction of the p well region 13 are parallel to each other. In the case of being orthogonal, the p well region 13 is always in contact with the n drift region 42a and the p partition region 42b, so that the manufacture is easy.
[Example 12]
FIG. 32 is a perspective sectional view of the breakdown voltage supporting layer portion of the n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 12 of the present invention.
[0133]
Parallel pn42 in which n drift regions 42a and p partition regions 42b are alternately arranged on the low resistance n drain layer 11, and further n^-A drift layer 12 is formed.
N above^-The structure above the p-well region 13 is formed in the drift layer 12.
[0134]
[Example 13]
FIG. 33 is a perspective sectional view of the breakdown voltage supporting layer portion of the n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 13 of the present invention. This can be regarded as a modification of the MOSFET of the eleventh embodiment.
That is, the p partition regions 42b of the parallel pn layers are formed in a spherical shape instead of a thin plate shape, and are regularly arranged, and the n drift region 42a is a region surrounding the n drift regions 42a.
[0135]
Such a structure is also conceivable by appropriately selecting the impurity concentration of the n drift region 42a and the p partition region 42b.
[Example 14]
FIG. 34 is a perspective sectional view of the breakdown voltage supporting layer portion of the n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 14 of the present invention. This can also be regarded as a modification of the eleventh embodiment.
[0136]
That is, the p partition regions 42b of the parallel pn layers are not thin plates but are columnar and are regularly arranged, and the n drift regions 42a are regions surrounding them.
FIG. 35A is a plan view of the semiconductor substrate surface of the breakdown voltage structure portion, and FIG. 35B is a cross-sectional view taken along the line EE.
As seen in FIGS. 35A and 35B, the outermost peripheral portion of the n-channel vertical MOSFET is not the parallel pn layer 42 but the high resistance region 38.
[0137]
As described above, some examples have been described. However, the active portion and the pressure-resistant structure portion are independent from each other and can be freely combined. In any of the embodiments, the active portion n^-The surface region 14 may be an n counter-doped region 34.
In particular, the breakdown voltage structure of the present invention can be applied not only to a semiconductor device having a MOS gate but also to a bipolar semiconductor device such as a planar transistor.
[0138]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the MOS semiconductor device, the first conductivity type surface region which is the surface exposed portion of the first conductivity type voltage support layer is surrounded by the second conductivity type well region, and the first conductivity type The ratio of the surface area to the surface area of the second conductivity type well region including the type source region is in the range of 0.01 to 0.2, or the shape thereof is a stripe having a width of 0.1 to 2 μm. It has been shown that the trade-off relationship between the on-resistance and the withstand voltage can be greatly improved, and that the on-resistance can have a low on-resistance and a low switching loss.
[0139]
In addition, with respect to the pressure-resistant structure, it is possible to easily realize 97% or more of the theoretical withstand voltage in the case of planar bonding by providing many guard rings in close proximity to each other according to the withstand voltage. It has also been clarified that the improvement in breakdown voltage makes it possible to use a thin Si substrate, leading to a reduction in on-resistance.
The present invention, which does not require changing the process or the like of the conventional MOS semiconductor device and can greatly improve the characteristics by simply changing the pattern, makes a great contribution particularly in the field of power semiconductors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a substrate surface of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 1 of the present invention.
2 is a partial cross-sectional view of an active portion of an n-channel vertical MOSFET of Example 1. FIG.
3 is a metal electrode plan view of the n-channel vertical MOSFET chip of Example 1. FIG.
4 is a layout diagram of gate electrodes and source electrodes of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 1. FIG.
5 is a partial cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the surface n-drain region area ratio and Crss, Ron in a prototype n-channel vertical MOSFET.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the width of the main portion of the surface n drain region and Crss, Ron in a prototype n-channel vertical MOSFET.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the length of the surface n drain region and Ciss in a prototype n-channel vertical MOSFET.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the length of the surface n drain region and Ciss in a prototype n-channel vertical MOSFET.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the length of the surface n drain region and Ron in a prototype n-channel vertical MOSFET.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the length of the surface n drain region and Ron in a prototype n-channel vertical MOSFET.
FIG. 12 is a comparative diagram comparing the relationship between the breakdown voltage and RonA in the n-channel vertical MOSFET of the present invention and a comparative example.
13 is a partial cross-sectional view of the breakdown voltage structure portion of the n-channel vertical MOSFET of Example 1. FIG.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the withstand voltage Vbr and the number of guard rings.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the distance between the p-well and the first guard ring and Vbr.
FIG. 16 is a characteristic diagram showing the relationship between the distance between the first guard ring and the second guard ring and Vbr.
FIG. 17 is a partial cross-sectional view of an active portion of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 4 of the present invention;
FIG. 18 is a partial perspective view of an active portion of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 19 is a partial cross-sectional view of the breakdown voltage structure portion of the n-channel vertical MOSFET according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a partial cross-sectional view of a breakdown voltage structure portion of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 5 of the present invention;
FIG. 21 is a layout diagram of gate electrodes and source electrodes of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 6 of the present invention;
FIG. 22 is a plan view of the substrate surface of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 7 of the present invention;
FIG. 23 is a layout diagram of a gate electrode and a source electrode of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 24 is a layout diagram of a gate electrode and a source electrode of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 25 is a plan view of the substrate surface of an n-channel vertical MOSFET according to Inventive Example 9;
FIG. 26 is a layout diagram of gate electrodes and source electrodes of an n-channel vertical MOSFET of Example 9.
27 is a partial cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 28 is a layout diagram of gate electrodes and source electrodes of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 10 of the present invention.
FIG. 29 is a perspective sectional view of a breakdown voltage supporting layer portion of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 11 of the present invention;
30 is a partial cross-sectional view of the main part of an n-channel vertical MOSFET according to Inventive Example 11. FIG.
31A is a plan view of the semiconductor substrate surface of the breakdown voltage structure portion of the n-channel vertical MOSFET of Example 11 of the present invention, FIG. 31B is a cross-sectional view taken along the line CC, and FIG. Sectional view along line -D
32 is a perspective cross-sectional view of the breakdown voltage supporting layer portion of the n-channel vertical MOSFET according to embodiment 12 of the present invention. FIG.
FIG. 33 is a perspective sectional view of a breakdown voltage supporting layer portion of an n-channel vertical MOSFET according to embodiment 13 of the present invention;
34 is a perspective cross-sectional view of the breakdown voltage supporting layer portion of the n-channel vertical MOSFET according to embodiment 14 of the present invention. FIG.
35A is a plan view of a semiconductor substrate surface of a breakdown voltage structure portion of an n-channel vertical MOSFET according to Embodiment 14 of the present invention, and FIG. 35B is a cross-sectional view taken along line EE.
FIG. 36 is a sectional view of a conventional n-channel vertical MOSFET.
FIG. 37 is a plan view of a gate electrode as an example of a conventional n-channel vertical MOSFET.
FIG. 38 is a plan view of another example gate electrode of a conventional n-channel vertical MOSFET.
FIG. 39 is a plan view of a gate electrode of still another example of a conventional n-channel vertical MOSFET.
FIG. 40 is a sectional view of another example of a conventional n-channel vertical MOSFET.
41 is a partial cross-sectional view of an active part of an n-channel vertical IGBT of Example 2. FIG.
42 is a partial cross-sectional view of an active portion of an n-channel vertical IGBT of Example 3. FIG.
FIG. 43 is a characteristic diagram showing the relationship between phosphorus ion dose and Vbr, Ron in a prototype n-channel vertical MOSFET.
[Explanation of symbols]
11 n⁺Drain layer
11a p⁺Drain layer
12 n^-Drift layer
12a n^-High resistivity part of the drift layer
12b n^-Low resistivity part of drift layer
13 p-well region
14, 14a, 14b, 14c, 14dn^-Surface area
15 n⁺Source area
16 channel region
17 Gate oxide film
17a Field oxide film
18 Gate electrode
19 Source electrode
20 Drain electrode
21 p⁺Contact area
22 Interlayer insulation film
24 Source electrode contact portion
26 Gate metal electrode contact area
27 Gate metal electrode
28 Source electrode pad
29 Gate electrode pad
30 Perimeter electrode
31 Convex
32 Gate electrode bridge
33 p peripheral area
34 n counter-doped region
35 Field plate
37 Polyimide film
38 High resistivity region
42 parallel pn layers
42an drift region
42b p partition area
g, g₁~ G₁₄ Guard ring

Claims

A first or second conductivity type low resistance layer, a voltage support layer including at least a first conductivity type semiconductor region disposed on the low resistance layer, and a second conductivity type disposed on a surface layer of the voltage support layer A well region, a first conductivity type source region disposed in a surface layer of the second conductivity type well region, and a first portion that is a portion where the voltage support layer reaches the surface surrounded by the second conductivity type well region A gate electrode provided on a surface of a second conductivity type well region sandwiched between the conductivity type surface region and the first conductivity type source region via a gate insulating film; a first conductivity type source region; and a second conductivity type in a semiconductor device having a source electrode formed in contact with the common surface of the well region, and a drain electrode provided on the back side of the front SL low-resistance layer,
The ratio of the surface area of the first conductivity type surface region to the surface area of the second conductivity type well region including the first conductivity type source region is in the range of 0.01 to 0.2, and the first conductivity type surface in the surface A semiconductor device characterized in that the shape of the region is a stripe shape having a length longer than the width.

The gate electrode is formed in a plurality of stripes having a length longer than the width, and the stripe-like gate electrodes are arranged so as to be respectively surrounded by second conductivity type well regions on a plan view. The semiconductor device according to claim 1.

3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of a main portion of the stripe-shaped first conductivity type surface region on the surface of the semiconductor region is in a range of 0.1 to 2 μm.

4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a length of the stripe-shaped first conductivity type surface region is 100 μm or more on the surface of the semiconductor region . 5.

5. The semiconductor device according to claim 4, wherein a length of the stripe-shaped first conductivity type surface region is 500 μm or more on the surface of the semiconductor region .

6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the stripe-shaped first conductivity type surface region on the surface of the semiconductor region has a plurality of protrusions in a direction different from the length direction.

7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the arrangement frequency of the convex portions is one or less per 50 μm length of the first conductivity type surface region.

8. The semiconductor device according to claim 7, wherein an arrangement frequency of the convex portions is one or less per 250 μm length of the first conductivity type surface region.

9. The semiconductor device according to claim 6, wherein a dimension of the convex portion protruding from the first conductivity type surface region is 2 [mu] m or less.

The semiconductor device according to claim 2, wherein each of the stripe-shaped gate electrodes is disposed so as to cover one or more of the first conductivity type surface regions.

11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the width of the main portion of the stripe-shaped gate electrode is in the range of 4 to 8 [mu] m.

12. The semiconductor device according to claim 11, wherein a width of a main portion of the stripe-shaped gate electrode is in a range of 5 to 7 [mu] m.

13. The semiconductor device according to claim 10, wherein a length of the stripe-shaped gate electrode is 100 μm or more.

The semiconductor device according to claim 13, wherein the stripe-shaped gate electrode has a length of 500 μm or more.

15. The semiconductor device according to claim 10, further comprising a narrow bridge portion connecting between the stripe-shaped gate electrodes.

The semiconductor device according to claim 15, wherein a width of a bridge portion of the gate electrode is 4 μm or less.

17. The semiconductor device according to claim 15, wherein the second conductivity type well region is disposed under a main portion of the bridge portion of the gate electrode.

18. The semiconductor device according to claim 15, wherein the frequency of arranging the bridge portion of the gate electrode is not more than one per 50 μm length of the gate electrode.

19. The semiconductor device according to claim 18, wherein the arrangement frequency of the bridge portion of the gate electrode is one or less per 250 μm of the length of the gate electrode.

A plurality of second conductivity type guard rings arranged around the second conductivity type well region on the surface of the semiconductor region, the first conductivity type well region and the first one counted from the second conductivity type well region side 20. The semiconductor device according to claim 1, wherein the distance from the second conductivity type guard ring is 1 [mu] m or less.

21. The semiconductor device according to claim 20, wherein a distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is 0.5 [mu] m or less. .

22. The semiconductor device according to claim 21, wherein the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side are connected.

23. The distance between the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side and the second second conductivity type guard ring is 1.5 μm or less. The semiconductor device according to any one of the above.

24. The semiconductor device according to claim 23, wherein a distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring is 1 [mu] m or less.

25. The semiconductor device according to claim 24, wherein a distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring is 0.5 [mu] m or less.

26. The distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is 2.0 μm or less. The semiconductor device according to any one of the above.

27. The semiconductor device according to claim 26, wherein an interval between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring is 1.0 [mu] m or less.

28. The semiconductor device according to claim 26 or 27, wherein a distance between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring is 2.5 [mu] m or less.

29. The semiconductor device according to claim 28, wherein a distance between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring is 2.0 [mu] m or less.

Of the second conductivity type well region and the second conductivity type guard ring, the depth of the shallower junction depth is d. _{1 1} The distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is d. _{1 1} 30. The semiconductor device according to claim 20, wherein the semiconductor device is / 4 or less.

The distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring is d. _{1 1} 31. The semiconductor device according to claim 30, wherein the semiconductor device is / 8 or less.

The junction depth of the second conductivity type guard ring is d _{2 2} The distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is d. _{2 2} 32. The semiconductor device according to claim 30, wherein the semiconductor device is / 4 or less.

The distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring is d _{2 2} The semiconductor device according to claim 32, wherein the semiconductor device is / 8 or less.

The distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is d. _{2 2} 34. The semiconductor device according to claim 32 or 33, which is / 4 or less.

The distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring is d. _{2 2} 35. The semiconductor device according to claim 34, wherein the semiconductor device is / 8 or less.

The distance between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region is l ₁₁ , The distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring ₂₂ L ₂₂ -l ₁₁ 36. The semiconductor device according to claim 20, wherein the thickness of the semiconductor device is 1 [mu] m or less.

l ₂₂ −l ₁₁ 37. The semiconductor device according to claim 36, wherein the thickness is in the range of 0.2 to 0.8 [mu] m.

The distance between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is l ₂₂ The distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring is l _3Three L _3Three -l ₂₂ 38. The semiconductor device according to claim 36 or 37, wherein the thickness is 1 μm or less.

l _3Three −l ₂₂ 39. The semiconductor device according to claim 38, wherein the thickness is in the range of 0.2 to 0.8 [mu] m.

The distance between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is l _3Three The distance between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring is l _4Four L _4Four -l _3Three 40. The semiconductor device according to claim 38 or 39, wherein the thickness is 1 μm or less.

l _4Four −l _3Three 41. The semiconductor device according to claim 40, wherein the range is 0.2 to 0.8 [mu] m.

The number n of the second conductivity type guard rings is 5 or more, and the width of the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is larger than the width of the fifth second conductivity type guard ring. 42. The semiconductor device according to claim 20, wherein the semiconductor device is large.

The number n of the second conductivity type guard rings is 6 or more, and the width of the second second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is larger than the width of the sixth second conductivity type guard ring. 43. The semiconductor device according to claim 42, wherein the semiconductor device is large.

The number n of the second conductivity type guard rings is 7 or more, and the width of the third second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side is larger than the width of the seventh second conductivity type guard ring. 44. The semiconductor device according to claim 43, wherein the semiconductor device is large.

A conductor film is disposed on the surface of the voltage support layer between the second conductivity type well region and the first second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side via an insulating film. The semiconductor device according to claim 20.

A conductor film is disposed on the surface of the voltage support layer between the first second conductivity type guard ring and the second second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side via an insulating film. 46. The semiconductor device according to claim 45.

The number n of the second conductivity type guard rings is 3 or more, and the voltage between the second second conductivity type guard ring and the third second conductivity type guard ring counted from the second conductivity type well region side. 47. The semiconductor device according to claim 46, wherein a conductor film is disposed on the surface of the support layer via an insulating film.

The number n of the second conductivity type guard rings is 4 or more, and the voltage between the third second conductivity type guard ring and the fourth second conductivity type guard ring is counted from the second conductivity type well region side. 48. The semiconductor device according to claim 47, wherein a conductor film is disposed on the surface of the support layer via an insulating film.

49. The semiconductor device according to claim 45, wherein the conductor film has a floating potential.

The n is 1.0 × Vbr / 100 or more, where the breakdown voltage of the semiconductor device is Vbr (V) and the number of the plurality of second conductivity type guard rings is n (pieces). 50. The semiconductor device according to any one of 20 to 49.

51. The semiconductor device according to claim 50, wherein n is 1.5 * Vbr / 100 or more.

52. The semiconductor device according to claim 50, wherein n is 6.0 × Vbr / 100 or less.

53. The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage support layer includes a region in which the first conductive type semiconductor regions and the second conductive type second semiconductor regions are alternately arranged.

The resistivity of the first conductivity type surface region in a region shallower than the second conductivity type well region is lower than the resistivity of the voltage support layer in a region deeper than the second conductivity type well region. 54. A semiconductor device according to claim 1, wherein:

The doping amount of the first conductivity type impurity in the surface region of the first conductivity type is 2 × 10 ¹²¹² ~ 5x10 ¹²¹² cm ^-2-2 55. The semiconductor device according to claim 54, wherein:

The doping amount is 2.5 × 10 ¹²¹² ~ 4.0 × 10 ¹²¹² cm ^-2-2 56. The semiconductor device according to claim 55, wherein:

57. The semiconductor device according to claim 1, wherein an organic polymer material film is disposed as a surface protective film of the semiconductor device.