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JP2004335697A - Junction type field effect transistor, method of manufacturing the same, and semiconductor device - Google Patents

Junction type field effect transistor, method of manufacturing the same, and semiconductor device Download PDF

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JP2004335697A
JP2004335697A JP2003128947A JP2003128947A JP2004335697A JP 2004335697 A JP2004335697 A JP 2004335697A JP 2003128947 A JP2003128947 A JP 2003128947A JP 2003128947 A JP2003128947 A JP 2003128947A JP 2004335697 A JP2004335697 A JP 2004335697A
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conductivity type
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semiconductor
effect transistor
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JP2003128947A
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Inventor
Takashi Hoshino
孝志 星野
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

【課題】電界集中を生じ難くして耐圧性能を向上させるJFET、その製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第1導電型のソース領域8と、第1導電型のチャネル層6と、チャネル層に接して位置するゲート層7とを備え、第1導電型のドリフト層3と、ドリフト層とチャネル層とに挟まれて位置し、第1導電型の通路4を囲むように位置する第2導電型のチャネル限定層5とを備え、チャネル限定層が、所定の第2導電型不純物濃度の上部チャネル限定層5aと、所定の第2導電型不純物濃度より低い第2導電型不純物濃度の下部チャネル限定層5bとから構成される。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to provide a JFET that hardly generates electric field concentration and improves withstand voltage performance, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device.
A first conductivity type source region, a first conductivity type channel layer, and a gate layer positioned in contact with the channel layer are provided. And a channel limiting layer 5 of the second conductivity type, which is located between the channel layer and the channel layer, and has a predetermined impurity concentration of the second conductivity type. And a lower channel limiting layer 5b having a second conductivity type impurity concentration lower than a predetermined second conductivity type impurity concentration.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合型電界効果トランジスタ、その製造方法および半導体装置に関し、より具体的には耐圧性能を高めた接合型電界効果トランジスタ(JFET:Joint Field Effect Transistor)、その製造方法および半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
シリコンカーバイド(SiC)は、シリコン(Si)と比較して、絶縁破壊電界強度が高く、また飽和電子速度が大きい、などの優れた特性を有する半導体である。このため、SiCを用いた電界効果トランジスタを、電力用のスイッチング装置に用いるなどパワートランジスタへの応用が図られてきた。半導体にSiCを用いた場合でも、パワートランジスタにおいては、やはり耐圧性能を向上させることが大きな課題となる。
【0003】
このため、4H−SiC基板を用いた静電誘導トランジスタにおいて、ゲート間隔を短くすることによって遮断特性を改善し、デバイスの耐圧性能を向上させる提案がなされている(非特許文献1)。
【0004】
また、4H−SiC基板を用いたJFETにおいて、埋込拡散層、すなわちゲート領域と対向するチャネル限定層を2層構造にする提案がなされている(非特許文献2)。この提案では、2層のうち高濃度層を下層にして端部を長くして、上層の低濃度層を短くして、両者に段差を設けることによりデバイスの耐圧性能を改善する。
【0005】
【非特許文献1】
T.Iwasaki, T.Ono, Y.Sugawara and T.Yatsuo; Material Science Forum Vols.264−268,pp108−1088,”Electrical Characteristics of a Novel Gate Structure 4−H SiC Power Static Induction Transistor”
【0006】
【非特許文献2】
P.Friedrichs, H. Mitlehner, R. Schorner, R. Kaltschmidt, K.O. Dohnke and D,Stephani; SiCED GmbH and Co.KG, a Siemens Company and Siemens AG, MEDSPE, ”Influence of the buried p−layer on the blocking behavior of vertical JFETs in 4H−SiC”
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の改善を行なっても耐圧性能の向上は設計通りにならない場合が多い。たとえば、デバイスの耐圧性能を1kVとするように不純物濃度やその不純物領域の寸法などのデバイス構造を設計しても、実際に得られるデバイスの耐圧性能は、目標より低いものとなる。その理由は、不純物拡散層の端部などにおいて局所的に電界強度が高くなり、耐圧の劣化を引き起こすためと考えられる。
【0008】
とくに、電流経路を、チャネル部で半導体基板の面に沿う方向(横方向)とし、チャネル部を経過した後、ドリフト層で半導体基板の面に交差する方向(縦方向)とする場合、電流経路が横から縦に変化する部位で電界集中を生じやすい。このため、デバイスの耐圧が設計値の半分以下という場合さえ生じ、局所的な電界集中が生じにくい半導体装置の開発が望まれてきた。
【0009】
本発明は、局所的な電界集中を生じ難くして耐圧性能を向上させるJFET、その製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のJFETは、第1導電型の半導体基板とその上に接して積層された半導体層を含むトランジスタである。このJFETは、積層された半導体層の表層部に位置する第1導電型のソース領域と、そのソース領域に接してソース領域の下から表層部の下に沿って延在して位置する第1導電型のチャネル層と、そのチャネル層に接して位置するゲート層とを備える。また、半導体基板の上に接して位置し、ドレイン領域に通じる第1導電型のドリフト層と、ドリフト層とチャネル層とに上下から挟まれて位置し、チャネル層からドリフト層に通じる第1導電型の通路を囲むように位置する第2導電型のチャネル限定層とを備える。そして、チャネル限定層が、チャネル層の下に接して位置し、所定の第2導電型不純物濃度の上部チャネル限定層と、その上部チャネル限定層に接してその下に位置し、所定の第2導電型不純物濃度より低い第2導電型不純物濃度の下部チャネル限定層とから構成される。
【0011】
この構成により、横チャネル縦型JFETにおいて、チャネル層からドリフト領域に入った部分における電界集中を避けることができる。とくにドリフト領域に入った部分で、そのドリフト領域に突き出るチャネル限定層の先端部分における電界集中を抑制することができる。これは、下部チャネル限定層が、上部チャネル限定層より低い第2導電型不純物濃度とされているためにである。
【0012】
上記のチャネル層の上の表層部にゲート領域を備え、そのゲート領域は前記チャネル限定層とソース領域を挟む構造とすることができる。
この構造により、チャネルの遮断および開通を確実に行なうことができ、この半導体素子の信頼性を高めることができる。
【0013】
また、上記の構造と異なり、上記のチャネル限定層をゲート領域として、ゲート電極と導通させた構造としてもよい。
【0014】
このような簡単な構造によってもオンオフ制御を行なうことができる。
上記の下部チャネル限定層は、上部チャネル限定層の側部を覆い、その上部チャネル限定層と第1導電型の通路との間に延在している。
【0015】
この構成により、よりいっそう確実に局所的な電界集中を防止することができる。
【0016】
上記のチャネル限定層は、ソース領域と電気的に導通されてもよい。この構成により、ゲート領域からチャネル層へと伸び、チャネル限定層へと至る空乏層のみにより電流のオンオフ制御を行なうことができる。この結果、チャネル限定層を不純物濃度の異なる2層構造としても、チャネル層を横方向に流れる電流を1層構造のチャネル限定層と同じように制御することができる。
【0017】
上記の第1導電型の半導体基板の端縁において、半導体層の端縁に第2導電型の端縁領域が設けられてもよい。
【0018】
この構成により、横チャネル縦型JFETにおいて、半導体基板の切断時に生じた半導体基板の端面における細かい凹凸が原因で発生する電界集中を避けることができる。この結果、横チャネル縦型JFETにおいて、半導体基板の端面における耐圧性能劣化を防止することができる。なお、半導体基板の端において上記端縁領域が設けられるので、コーナー部においても、交差する端縁領域により耐圧性能の低下が防止される。
【0019】
上記のJFETは半導体基板にわたって複数個配置されており、半導体基板の端に位置するJFETでは、半導体基板の端において、下部チャネル限定層が上部チャネル限定層の外側の側部を覆い、半導体層の端縁と上部チャネル限定層との間に延在してもよい。
【0020】
この構成により、JFETの外周側の端に位置するソース領域からドレインに至る部分において絶縁破壊が生じることを抑制することができる。この結果、上記外周側の端部における電界集中による耐圧性能劣化を防止することができる。このような外周に沿って配置された第2導電型の半導体層を周囲領域と呼ぶ。
【0021】
上記の半導体基板および半導体層がSiCであり、下部チャネル限定層の不純物の主成分がボロンであり、上部チャネル限定層の不純物の主成分がアルミニウムおよびボロンとすることができる。
【0022】
この構成により、耐圧性能に優れたSiC半導体のJFETのチャネル限定層をイオン注入を用いて、セルフアラインメントに容易に形成することができる。
【0023】
上記の第1導電型の通路の実効間隔を4μm以下としてもよい。
1kV程度の耐圧を確保するSiCを用いたJFETの場合、上記通路の実効間隔を4μm以下とすることにより、電流を遮断するオフ時の所定のゲート電圧印加の際に、空乏層が上記の第1導電型の通路を容易に塞ぐように形成される。より確実に空乏層が第1導電型の通路を塞ぐようにするためには、上記の実効間隔は2μm以下とするのがより望ましい。この結果、上記第1導電型の通路の耐圧性能への悪影響をほとんど生じないようにできる。
【0024】
上記の実効間隔は、通路の横断面が円状の場合は平均的な直径を表し、その横断面が直線間の隙間の場合は隙間の間隔を表す。
【0025】
上記の半導体層の端縁と上部チャネル限定層との間に延在する下部チャネル限定層の幅が3μm以上あってもよい。
【0026】
1kV程度の耐圧を確保するSiCを用いたJFETの場合、下部チャネル限定層の幅を3μm以上端部に延在させることにより、端部での電界集中による耐圧性能の劣化を十分に防止することができる。より望ましくは5μm以上とするのがよい。さらに確実に端部での電界集中を避けるためには、上記の半導体層の端縁と上部チャネル限定層との間に延在する下部チャネル限定層の幅は10μm以上とすることが望ましい。
【0027】
本発明のJFETの製造方法は、第1導電型の半導体基板とその上に接して積層された半導体層を含み、チャネル層を電流が半導体基板の面に沿う方向に流れ、チャネル層を経過してドリフト層を半導体基板の面に交差する方向に流れるトランジスタの製造方法である。このJFETの製造方法は、半導体基板上にドリフト層を含む第1導電型の半導体層を形成する工程と、ドリフト層の上であってチャネル層の下に、2種類の第2導電型不純物濃度の層を2層形成するに当り、第1導電型の半導体層中にイオン種の異なるイオン注入を行なう。
【0028】
この方法により、JFETのチャネル限定層をセルフアラインメントに容易に形成することができる。
【0029】
上記の半導体はSiCであり、第2導電型不純物濃度の層を2層形成するに当り、マスクを用いてまずボロンをイオン注入して下層のp型低濃度層を形成し、次いで、アルミニウムをイオン注入してその上に位置し、それより高濃度の上層のp型高濃度層を形成してもよい。
【0030】
この方法により、浸透深さの大きいボロンを深い位置に打ち込み下部チャネル限定層とし、その上により浸透深さの小さいアルミニウムと、上記ボロンの上側の裾の部分とで上部チャネル限定層を、容易に形成することができる。これらの層の形成はセルフアラインメントであり、位置ずれなどを起こすことなく所定の位置に高精度で形成することができる。
【0031】
本発明の半導体装置は、半導体基板とその上に形成された半導体層とによって形成された半導体装置である。この半導体装置は、半導体基板の面に交差する方向に電流が流れる第1導電型の半導体層と、その半導体層の端縁に位置する第2導電型の端縁領域とを備える。
【0032】
トランジスタに限らず、ダイオードなどどのような半導体装置であっても、縦に電流が流れる半導体装置では、半導体基板の端面における何らかの不完全点で電界集中を生じ、耐圧性能劣化の原因となる。たとえば、半導体基板の端面は平滑とみなせる場合もあるが、何らかの凹凸を生じている場合もある。上記の構成により、端面における何らかの不完全点の有無にかかわらず電界集中による耐圧性能低下を防止することができる。
【0033】
本発明の別の半導体装置は、半導体基板とその上に形成された半導体層とによって形成された半導体装置である。この半導体装置は、半導体基板の面に交差する方向に電流が流れる第1導電型の半導体層と、半導体基板の端面と第1導電型の半導体層との間に位置する第2導電型の周囲領域とを備える。
【0034】
上記のような第2導電型の周囲領域によって、半導体装置の外周側の端の、半導体層の表層側に位置する電極コンタクト領域から、半導体基板に至る部分において絶縁破壊が生じることを抑制することができる。この結果、上記外周側の端部における電界集中による耐圧性能劣化を防止することができる。
【0035】
たとえば、上記の端縁領域または周囲領域は、半導体基板に、単位半導体装置が、複数個、周期的に配列された半導体装置において、上記端部における電界集中を防止することにより、耐圧性能の劣化を防止することができる。また、上記の端縁領域または周囲領域は、半導体基板に集積され組み上げられた1つの半導体装置において、半導体基板の端面の表面性状にかかわらず端面における電界集中を防止することができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【0037】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるJFETを示す図である。本実施の形態におけるJFET10は、n+型SiC基板1の上にn−型ドリフト層3が形成され、そのドリフト層3に連通する通路4は、チャネル層6を下側から限定する上下2層からなるチャネル限定層5a,5bによって囲まれている。チャネル限定層5は、不純物濃度の大きいp+型上部チャネル限定層5aとp−型下部チャネル限定層5bとから形成される。
【0038】
チャネル限定層5の上方の表層部にはp+型ゲート領域7が形成されており、その外側の表層部にはn+型ソース領域8が形成されている。n+型ソース領域8はソース電極Sとオーミック接触しており、上部チャネル限定層5aは高濃度p+型コンタクト18によりソース電極Sとオーミック接触しており、n+型ソース領域8と上部チャネル限定層5aとは、同電位とされている。実効間隔Deは、後に説明されるように、不純物濃度の低い下部チャネル限定層5bの間隔をもとに決められる。この実効間隔は、SiCを半導体として用いた場合4μm以下とされるが、より望ましくは2μm以下とする。
【0039】
次に、上記のJFETの動作について説明する。オン状態では、所定の電圧がソース/ドレイン間に印加され、電子がソース領域8からチャネル層6を横方向に流れ、チャネル限定層5a,5bで囲まれた通路4にいたる。チャネル層6から通路4へと流れるとき、電流の向きを横方向から縦方向に変え、ドリフト領域3を縦方向に流れ、ドレイン電極Dにいたる。
【0040】
オフ状態とするときは、チャネル層6とゲート領域7とのpn接合に逆バイアス電圧を印加する。ゲート領域7のp型不純物濃度は、チャネル層6のn型不純物濃度に比べて数オーダー高いので、空乏層はもっぱらチャネル層に張り出す。そして、逆バイアス電圧の上昇につれ逆バイアス電圧の(1/2)乗に比例して上部チャネル限定層5aに届き、チャネル層6を遮断し、電流をオフとする。上記の逆バイアス電圧の絶対値を十分高くとることにより、確実にオフ状態とすることができる。
【0041】
このオフ状態において、ソースとドレインとの間に順方向の電圧を増大させていったとき、いずれかの絶縁部が破壊されて、電流がソース領域からドレインにいたる低抵抗の経路を見出し、アバランシェ状態で流れはじめる。このときの順方向電圧により耐圧性能を判断でき、この順方向電圧が高いほど耐圧性能は高いことになる。上記のいずれかの絶縁部の破壊は、電界が大きくなる電界集中箇所ほど生じ易い傾向がみられる。
【0042】
上記のJFETでは、チャネル限定層5の通路4を取り囲む端部Xにおいて電界集中が生じやすい。本実施の形態のJFETのように、チャネル限定層5を不純物濃度の高い上部チャネル限定層5aと、不純物濃度の低い下部チャネル限定層5bとにより構成すると、不純物濃度の低い下部チャネル限定層は、電界緩和層として機能する。このため、通路4に面するチャネル限定層の端部Xにおける電界集中を避けることができ、耐圧性能を高めることが可能となる。
【0043】
なお、図1に示すJFETの通路4の上端から下の部分は、耐圧基本構造として、以後の説明で用いる場合がある。
【0044】
上記のような、チャネル限定層を2層構造とする構成は図1に示すJFETに限定されず、図2に示すようにゲート領域7とチャネル限定層とを、同じ領域に分担させ、その領域をチャネル層の下に配置した単層チャネル構造であってもよい。この場合、ゲート領域7の機能は上部チャネル限定層5aによって行なわれ、下部チャネル限定層5bは電界緩和層として機能する。なお、図2は、実効間隔の2等分線(面)の左半分のみを示している。
【0045】
また、上記の本実施の形態における2層のチャネル限定層は、図3に示すように、ゲート領域7をチャネル層6の上に配置し、ゲート領域7とチャネル限定層5とでチャネル層6を挟むJFETに用いることもできる。この図3に示すJFETも実効間隔の2等分線(面)の左半分のみを示している。図3では、チャネル限定層5aはp+型領域18を介在させてソース電極Sと電気的に接続している。しかし、p+型領域18は、上記ソース電極Sの下に、絶縁層9を介在させて位置するゲート電極Gと電気的に接続されてもよい。すなわち、チャネル限定層5aはゲート電極Gと電気的に接続されてもよい。
【0046】
さらに、図4(a)〜図4(c)に示す積層チャネル構造における複数ゲート層の配置を示す図である。図4(a)は積層チャネル構造における複数ゲートの配置を示す平面図である。また、図4(b)は、そのIVB−IVB線に沿う断面図であり、図4(c)はそのIVC−IVC線に沿う断面図である。このJFETでは、これらの図に示すように、ソース領域8から複数のチャネル層6が右方に延在し、p+型領域7cによって接続される複数のゲート領域7a,7bがその複数のチャネル層6と交互に配置されている。上記構造のJFETにも、上記2層のチャネル限定層を用いることができる。いずれの場合も2層のチャネル限定層の低濃度層は電界緩和層として機能する。図4(b)および(c)に示すJFETも実効間隔の2等分線(面)の左半分のみを示している。
【0047】
次に、図1に示すJFETを製造する方法、とくに2層構造のチャネル限定層を形成する方法について説明する。n+型SiC基板1の上にドリフト層3、すなわちn−型SiC層3を形成した後、そのn−型SiC層の表層部にp型不純物濃度の異なる2層からなるチャネル限定層5a,5bを形成する。そのとき、n−型SiC層3の上に、通路に対応する部分にp型不純物を導入しないようにDnの幅をもつマスク41を配置して、イオン注入を行なう。チャネル限定層のうち高濃度の上部層5aは、p型不純物のAlとBとが主に含まれるようにし、低濃度の下部層5bはBが主に含まれるようにする。
【0048】
上記のイオン注入は、表1に示すように複数回のイオン注入によって行なう。この複数回のイオン注入の間、マスク41は同じマスクを配置したままでよい。
【0049】
【表1】

Figure 2004335697
【0050】
表1によれば、Bを注入する際は加速電圧をAlの注入の際よりも高め、深い位置まで到達するようにする。BはAlに比べて小さい元素であるので、上記の高い加速電圧に加速されてAlよりも深い位置に届きやすい。図6は、AlおよびBを合わせたp型不純物濃度の深さ方向分布を示す図である。図6の表面からの距離の小さい左側の高い不純物濃度分布は、上部チャネル限定層5aに対応する層であり、深い位置の不純物濃度分布は下部チャネル限定層5bに対応している。いずれのチャネル限定層もすそを引いていることが分る。
【0051】
上記のようなすその広がりは横方向にも生じる。すなわち、不純物濃度分布は、また横方向にもすそを引き、広がるので、マスク41の幅Dnの場合、n型通路はそれより狭い間隔となる。このイオン注入の際におけるイオン種の横方向への広がりのために狭くされ、最終的に形成された通路の間隔を実効間隔Deと呼ぶ。
【0052】
表1の注入条件で注入したとき、図5に示すように、上部チャネル限定層5aはαだけマスク端部からマスクの下へと内側に広がり、また、下部チャネル限定層5bはさらにそれから内側に0.2μmだけ広がる。このため、マスクの幅Dnと実効間隔Deとの間には、Dn=De+2×0.2+2α(単位:μm)の関係が成り立つ。実効間隔Deは4μm以下とするのがよく、より望ましくは2μm以下とするのがよい。
【0053】
上記のように、チャネル限定層を2層構造にして、下部チャネル限定層の不純物濃度を低くすることにより、電界集中を抑制して耐圧性能を向上させることができる。電界集中を緩和する具体例については、実施例において説明する。
【0054】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2では、実施の形態1で説明したJFET10が、1つのSiC基板に複数個、配置された半導体装置50について説明する。図7は本実施の形態における半導体装置の平面図である。JFET10は必ずしも規則正しく周期的に配列されていなくてもよい。図8は図7におけるVIII−VIII線に沿う断面図である(耐圧基本構造)。半導体装置の端面は、図8に示すように平滑ではなく不完全性を有している可能性がある。この不完全性としては、たとえば、端面における凹凸の可能性を挙げることができる。この凹凸は、半導体基板の切断にともなって生じる可能性があるもので、実質上平滑とみなせる場合もあるが、そうでない場合もある。
【0055】
図8は耐圧基本構造のみを示しているが、チャネル限定層の右側上方にはソース領域が位置しており、このソース領域とドレイン電極との間に電圧が印加される。ソース/ドレイン間に高電圧を印加したとき、半導体装置の端部において、何らかの不完全点を起点として絶縁破壊が生じ、アバランシェ電流の経路が形成されやすい。これを防止するため、SiC基板の上に形成されたSiC層の端面50bを含む端部にp型不純物領域、すなわち端縁領域50sを配置する。この端縁領域50sの配置により、端面の凹凸を起点とする絶縁破壊を抑制することができる。この端縁領域は、SiC基板より上のSiC層に形成されるが、SiC基板まで延びていてもよい。
【0056】
また、下部チャネル限定層を基板の端面側に延在させて、端面50bとJFETとの間において、n−型SiC層3をその表層部に配置させないようにする。このような下部チャネル限定層の外側への延在によるp−型SiC層の周囲領域5eの配置によっても、複数のJFETのうちの外側の端に位置するソース領域からドレインに至る部分の絶縁破壊を防止することができる。図8に示すこの周囲領域5eの幅Dbは、3μm以上がよく、さらに望ましくは5μm以上がよく、より一層確実性を追求するために望ましくは10μm以上とする。
【0057】
上記の説明において、SiC基板というとき、SiC基板1のみならず、その上に形成されるSiC層を含み、さらに、耐圧基本構造だけでなくその上のSiC層を含むものとする。SiC基板の端面50bも、SiC基板1から上方のSiC層まで含む層の端面を指すこととする。端縁領域50sも、耐圧基本構造のSiC層の端面にのみ形成されておらず、その上のソース領域が形成される層を含むSiC層の端部に形成される。
【0058】
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3では、半導体基板に形成される半導体装置の種類は問わず、その端部に端縁領域または周囲領域を配置した点に特徴がある。1つの半導体基板に形成される半導体装置は単複は問わず、またトランジスタでもよいしダイオードでもよい。図9は、上述の半導体装置60を示す平面図である。四周を半導体基板の端面60bで囲まれている。この半導体基板の端面というときの範囲は、上述のように端面50bと同様に半導体層も含むように広く解釈する。
【0059】
図10および図11は、図9に示す半導体装置の端部を含む断面図である。図10では、電流iが半導体基板に向って縦方向に流れる部分3を有する半導体装置の端部に端縁領域60sが設けられている。この端縁領域が耐圧性能を高める理由は、実施の形態2における端縁領域50sと同様である。
【0060】
図11は、実施の形態2におけるチャネル限定層の有無に関わらず、電流が縦方向に流れる部分3を有する半導体装置が形成されている半導体基板の端部に、その半導体装置を囲むように、p−型の周囲領域26を配置する。この周囲領域を配置する理由は、上述のとおり、外側の端の表層部に位置する電極と、この電極に対向する電極が配置された半導体基板との間の部分の絶縁破壊を防止するためである。このp−型の周囲領域26の幅Dgは、半導体がSiCである場合は、3μm以上あればよいが、より望ましくは5μm以上あるのがよく、さらに一層確実性を追求するために望ましくは10μm以上あるのが望ましい。
【0061】
【実施例】
次に、上述の半導体装置やJFETについて各層および各領域に所定の不純物濃度を形成して、電界分布および電位分布をシミュレーション計算した結果について説明する。
【0062】
(実施例1)
図12に本発明の実施例1のJFETの断面図(耐圧基本構造)を示す。このJFETにおいて、耐圧性能に及ぼす実効間隔Deの影響を調べた。全幅は10μm一定である。上部チャネル限定層5aおよび下部チャネル限定層5bの不純物濃度は、それぞれ1×1018/cmおよび1×1017/cmである。このJFETでは、ドリフト層を3aおよび3bの2層にして下層3bを高濃度層とし、上層3aを低濃度層としている。ここには詳しく説明しないが、別の調査において、ドリフト層を2層構造にすることのメリットはそれほど大きくないことを確認している。したがって、ドリフト層3a一層で構成した場合、本実施例と同様の結果を得ることができる。
【0063】
図13に実効間隔を3.2μm〜0.4μmの範囲に変化させた場合のドレイン電圧と、最大電界強度との関係を示す。経験上、最大電界強度が2.3×10V/cm以上で絶縁破壊が生じるので、その電界強度を絶縁破壊の基準としている。図13によれば、実効間隔が2.0μmの試験体C7において、ドレイン電圧が1000Vを超えても最大電界強度が2.3×10V/cm未満となっている。また、実効間隔がそれ以下の試験体C3〜C6においては、C7よりもさらに優れた耐圧性能を示している。
【0064】
図14は、ドレイン/ゲート間電圧500Vおよび1000Vの場合について、最大電界強度に及ぼす実効間隔の影響を示す。ドレイン/ゲート間電圧が500Vの場合、最大電界強度が2.3×10V/cm以上になることはないが、ドレイン/ゲート間電圧が1000Vになると実効間隔Deが2μmを超えると最大電界強度が2.3×10V/cm以上になる。これらより、たとえば耐圧1000Vを得たい場合には、実効間隔を2.0μm以下とすればよいことが分る。
【0065】
図15は、図12に示すJFETの実効間隔Deを2.0μmとした場合の電界分布を示す図である。計算の便宜上、アノード31を上端の左右に、カソード32をSiC基板底部に配置して、アノード/カソード間に電圧を印加した。図15によれば、電界強度の最大値はチャネル限定層5a,5bの端の部分ではなく、少なくともそれより少し間隔を隔てた内側に分布する。これは、チャネル限定層を2層構造にして下部チャネル限定層の不純物濃度を下げたことに起因して電界強度がチャネル限定層において緩和されているからである。すなわち、チャネル限定層の直近の周囲に電界強度1×10V/cmの等電界強度線があり、その外側に小さいが間隙30をおいて電界強度1×10V/cmの等電界強度線が位置している。この間隙30はチャネル限定層近傍で電界集中が緩和された領域ということができる。したがって、最大電界強度は通路に面するチャネル限定層の端部のコーナー部などに位置することなく、ドリフト層内に位置している。このため、異常に高い電界強度が局所的に形成されることが解消されている。
【0066】
上記の実施例1から、チャネル限定層を2層構造にして下部チャネル限定層の不純物濃度を低下させることにより、電界緩和がなされることが分った。この電界緩和により、通路に面するチャネル限定層のコーナー部などに接して局所的に異常に大きい電界強度が分布することを解消することができる。また、通路の実効間隔を2.0μm以下とすることによりゲート/ドレイン間電圧を1000Vとしたとき、最大電界強度を2.3×10未満とすることができる。上述のように、オフ状態を維持するゲート電圧においては空乏層がチャネル層を遮断している。実効間隔が狭い場合、両側から張り出す空乏層が合体しやすく、ソースやドレインから見て一体的な空乏層が形成されているように見え、最大電界強度の位置は通路に面するチャネル限定層のコーナー部から大きくドリフト層に入った位置になると考えられる。この結果、より一層、上記コーナー部の影響が減じられた電界強度分布になり、最大電界強度が低下する。
【0067】
(実施例2)
本発明の実施例2では、JFETを配置した半導体装置のSiC基板の端部に向けて、低不純物濃度の下部チャネル限定層を延在させた周囲領域5eの効果について説明する。図16は、用いた半導体装置の構造を示す図である。図16に示す半導体装置では、ドリフト層は2層構造であるが、本実施例で調べた4試験体のうち、3体は図16に示す2層のドリフト層を有するものであるが、1体は1層のドリフト層からなるものとした。
【0068】
図17に示すように、周囲領域の幅Dbは9.8μm程度あれば、非常に優れた耐圧性能を示すことが分る。また、ドリフト層を単層とするか複層とするかで、最大電界強度は大きな相違はないので、ドリフト層の層数はあまり耐圧性能に影響しないことが分る。また、周囲領域の幅Dbが9.8μmあれば、最大電界強度は最大でも2.3×10V/cmに届いていない。
【0069】
図18に電界分布を示す。本実施例ではJFETは基板の端部に位置するものを問題とするので、アノード31は図18に示す位置となる。この電界分布によれば、最大電界強度は上部チャネル限定層のコーナー部に生じている。しかし、図17において説明したように、チャネル限定層の端部に最大電界強度が生じてもその最大の電界強度は2.3×10V/cmに達していない。これは、図18に示すように、周囲領域の幅Dbを10μm程度とることにより、1×10V/cmの等高線を表層部からドリフト層側に押し下げたためである。この結果、最大電界強度は2.3×10V/cmを超えるほどの高い値にならない。領域30は、チャネル限定層近傍で電界集中が緩和された領域ということができる。
【0070】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【0071】
【発明の効果】
本発明のJFETおよび半導体装置は、局所的な電界集中を生じにくいように構成されており、優れた耐圧性能を有する。また、本発明のJFETの製造方法は、イオン注入法により容易に2層構造からなるチャネル限定層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1におけるJFETを示す図である。
【図2】本発明の実施の形態1における別のJFETを示す図である。
【図3】本発明の実施の形態1におけるさらに別のJFETを示す図である。
【図4】図4(a)〜(c)は本発明の実施の形態1における上記以外のJFETを示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のIVB−IVB線に沿う断面図、(c)は(a)のIVC−IVC線に沿う断面図である。
【図5】図1のJFETの製造においてチャネル限定層にイオン注入を行なった断面図である。
【図6】図5のイオン注入後の不純物濃度の深さ分布を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態2における半導体装置を示す図である。
【図8】図7のVIII−VIII線に沿う断面図である。
【図9】本発明の実施の形態3における半導体装置を示す図である。
【図10】図9の半導体装置の半導体基板の端部における断面図である。
【図11】本発明の実施の形態3における別の半導体装置の半導体基板端部における断面図である。
【図12】本発明の実施例1におけるJFETである。
【図13】ドレイン電圧と最大電界強度との関係を示す図である。
【図14】実効間隔Deと最大電界強度との関係を示す図である。
【図15】実効間隔2.0μmの場合の電界分布を示す図である。
【図16】本発明の実施例2における半導体装置である。
【図17】各周囲領域の幅ごとに、ドレイン電圧と最大電界強度との関係を示す図である。
【図18】周囲領域の幅9.8μmの場合の電界分布を示す図である。
【符号の説明】
1 SiC基板、3,3a,3b ドリフト層、4 通路、5 チャネル限定層、5a 上部チャネル限定層、5b 下部チャネル限定層、5e 半導体装置の端部に延在する下部チャネル限定層、6 チャネル層、7,7a,7b ゲート領域、7c p+型領域(接続領域)、8 ドレイン領域、9 絶縁層、10JFET、18 p+型コンタクト、26 周囲領域、30,40 チャネル限定層近傍の緩和された電界領域、31 シミュレーション計算上の正極、32シミュレーション計算上の負極、50,60 半導体装置、50b,60b 半導体装置の端面、Db 基板端面、De 実効間隔、Dg 周囲領域の幅、D ドレイン、G ゲート、S ソース。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a junction field-effect transistor, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device, and more specifically, to a junction field-effect transistor (JFET: Joint Field Effect Transistor) with improved withstand voltage performance, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device. It is.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC) is a semiconductor having excellent characteristics such as a higher breakdown electric field strength and a higher saturated electron velocity than silicon (Si). For this reason, application to a power transistor, such as using a field effect transistor using SiC for a power switching device, has been attempted. Even when SiC is used for the semiconductor, it is still a major problem in the power transistor to improve the breakdown voltage performance.
[0003]
For this reason, in an electrostatic induction transistor using a 4H-SiC substrate, a proposal has been made to improve the blocking characteristics by shortening the gate interval and improve the withstand voltage performance of the device (Non-Patent Document 1).
[0004]
Further, in a JFET using a 4H-SiC substrate, a proposal has been made to make a buried diffusion layer, that is, a channel limitation layer facing a gate region into a two-layer structure (Non-Patent Document 2). In this proposal, the high-concentration layer of the two layers is used as the lower layer, the end is made longer, the upper low-concentration layer is made shorter, and a step is provided between the two layers to improve the breakdown voltage performance of the device.
[0005]
[Non-patent document 1]
T. Iwasaki, T .; Ono, Y .; Sugawara and T.S. Yatsuo; Material Science Forum Vols. 264-268, pp108-1088, "Electrical Characteristics of a Novel Gate Structure" 4-H SiC Power Static Induction Transistor "
[0006]
[Non-patent document 2]
P. Friedrichs, H.C. See Milehner, R.A. Schhorner, R .; Kaltschmidt, K .; O. Dohnke and D, Stephani; SiCED GmbH and Co. KG, a Siemens Company and Siemens AG, MEDSPE, "Influence of the buried p-layer on the blocking behavior of vertical JFETs in 4H-SiC.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the above-mentioned improvement is performed, the improvement of the withstand voltage performance is often not as designed. For example, even if the device structure such as the impurity concentration and the size of the impurity region is designed so that the breakdown voltage performance of the device is 1 kV, the breakdown voltage performance of the actually obtained device is lower than the target. It is considered that the reason is that the electric field strength locally increases at the end portion of the impurity diffusion layer and the like, causing the breakdown voltage to deteriorate.
[0008]
In particular, when the current path is a direction along the surface of the semiconductor substrate (lateral direction) at the channel portion and a direction (vertical direction) crossing the surface of the semiconductor substrate at the drift layer after passing through the channel portion, Tends to cause electric field concentration at a portion where the width changes from horizontal to vertical. For this reason, even when the breakdown voltage of the device is less than half the design value, a semiconductor device in which local electric field concentration hardly occurs has been desired.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a JFET in which local electric field concentration is unlikely to occur and improve withstand voltage performance, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The JFET of the present invention is a transistor including a semiconductor substrate of a first conductivity type and a semiconductor layer stacked on and in contact with the semiconductor substrate. This JFET has a first conductivity type source region located in a surface layer portion of a stacked semiconductor layer, and a first conductivity type located in contact with the source region and extending from below the source region to below the surface layer portion. The semiconductor device includes a conductive type channel layer and a gate layer located in contact with the channel layer. A first conductive type drift layer which is located in contact with the semiconductor substrate and communicates with the drain region; and a first conductive type which is located between the drift layer and the channel layer from above and below and which communicates with the drift layer from the channel layer. A channel limiting layer of the second conductivity type positioned to surround the channel of the mold. A channel limiting layer positioned below and in contact with the channel layer, an upper channel limiting layer having a predetermined second conductivity type impurity concentration, and a channel in contact with and below the upper channel limiting layer; A lower channel limiting layer having a second conductivity type impurity concentration lower than the conductivity type impurity concentration.
[0011]
With this configuration, it is possible to avoid electric field concentration in a portion of the horizontal channel vertical JFET that enters the drift region from the channel layer. In particular, the electric field concentration at the tip of the channel limiting layer protruding into the drift region can be suppressed in the portion that enters the drift region. This is because the lower channel limitation layer has a lower second conductivity type impurity concentration than the upper channel limitation layer.
[0012]
A gate region may be provided in a surface layer portion above the channel layer, and the gate region may have a structure sandwiching the channel limiting layer and the source region.
With this structure, the channel can be reliably shut off and opened, and the reliability of the semiconductor element can be improved.
[0013]
Further, different from the above structure, a structure in which the above channel limitation layer is used as a gate region to conduct with a gate electrode may be employed.
[0014]
On / off control can be performed even with such a simple structure.
The lower channel limiting layer covers the side of the upper channel limiting layer and extends between the upper channel limiting layer and the first conductivity type passage.
[0015]
With this configuration, local electric field concentration can be prevented more reliably.
[0016]
The channel limiting layer may be electrically connected to the source region. With this configuration, on / off control of the current can be performed only by the depletion layer extending from the gate region to the channel layer and reaching the channel limitation layer. As a result, even if the channel-limited layer has a two-layer structure with different impurity concentrations, the current flowing in the channel layer in the lateral direction can be controlled in the same manner as the single-layer channel-limited layer.
[0017]
At the edge of the semiconductor substrate of the first conductivity type, an edge region of the second conductivity type may be provided at the edge of the semiconductor layer.
[0018]
With this configuration, in the horizontal channel vertical JFET, electric field concentration caused by fine irregularities on the end surface of the semiconductor substrate caused when the semiconductor substrate is cut can be avoided. As a result, in the horizontal channel vertical JFET, it is possible to prevent the withstand voltage performance from deteriorating at the end face of the semiconductor substrate. Since the above-mentioned edge region is provided at the end of the semiconductor substrate, the crossing edge region prevents a decrease in withstand voltage performance even at a corner portion.
[0019]
A plurality of the above JFETs are arranged over the semiconductor substrate. In the JFET located at the edge of the semiconductor substrate, the lower channel limiting layer covers the outer side of the upper channel limiting layer at the edge of the semiconductor substrate. It may extend between the edge and the upper channel limiting layer.
[0020]
With this configuration, it is possible to suppress the occurrence of dielectric breakdown at a portion from the source region located at the outer peripheral end of the JFET to the drain. As a result, it is possible to prevent the withstand voltage performance from deteriorating due to the electric field concentration at the outer peripheral end. The semiconductor layer of the second conductivity type disposed along such an outer periphery is referred to as a peripheral region.
[0021]
The semiconductor substrate and the semiconductor layer may be made of SiC, the main component of the impurity in the lower channel limiting layer may be boron, and the main component of the impurity in the upper channel limiting layer may be aluminum and boron.
[0022]
With this configuration, the channel limiting layer of the SiC semiconductor JFET having excellent withstand voltage performance can be easily formed by self-alignment using ion implantation.
[0023]
The first conductive type passage may have an effective spacing of 4 μm or less.
In the case of a JFET using SiC that secures a withstand voltage of about 1 kV, by setting the effective interval of the passage to 4 μm or less, when a predetermined gate voltage is applied at the time of off to cut off a current, the depletion layer becomes the above-described depletion layer. It is formed so as to easily block the one conductivity type passage. In order to ensure that the depletion layer closes the first conductivity type passage, it is more desirable that the above-mentioned effective distance be 2 μm or less. As a result, it is possible to prevent the adverse effect on the pressure resistance performance of the passage of the first conductivity type from occurring.
[0024]
The above-mentioned effective interval indicates an average diameter when the cross section of the passage is circular, and indicates an interval when the cross section is a gap between straight lines.
[0025]
The width of the lower channel limiting layer extending between the edge of the semiconductor layer and the upper channel limiting layer may be 3 μm or more.
[0026]
In the case of a JFET using SiC that secures a withstand voltage of about 1 kV, by lowering the width of the lower channel limitation layer to 3 μm or more at the end, it is possible to sufficiently prevent deterioration of the withstand voltage performance due to electric field concentration at the end. Can be. More preferably, the thickness is 5 μm or more. In order to surely avoid electric field concentration at the end, the width of the lower channel limiting layer extending between the edge of the semiconductor layer and the upper channel limiting layer is desirably 10 μm or more.
[0027]
A method of manufacturing a JFET according to the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type and a semiconductor layer stacked on and in contact with the first conductivity type, and a current flows through a channel layer in a direction along a surface of the semiconductor substrate. A method of manufacturing a transistor that flows through a drift layer in a direction intersecting a surface of a semiconductor substrate. This JFET manufacturing method includes a step of forming a first conductivity type semiconductor layer including a drift layer on a semiconductor substrate, and a step of forming two types of second conductivity type impurity concentrations on the drift layer and below the channel layer. In forming the two layers, ions of different ion species are implanted into the semiconductor layer of the first conductivity type.
[0028]
With this method, the channel limiting layer of the JFET can be easily formed in a self-aligned manner.
[0029]
The semiconductor is SiC, and when forming two layers of the second conductivity type impurity concentration, first, boron is ion-implanted using a mask to form a lower p-type low concentration layer, and then aluminum is formed. Ion implantation may be performed to form a p-type high-concentration layer located above and having a higher concentration than the p-type high-concentration layer.
[0030]
By this method, boron having a large penetration depth is implanted into a deep position to form a lower channel limiting layer, and an aluminum having a smaller penetration depth and the upper skirt portion of the boron easily form the upper channel limiting layer. Can be formed. The formation of these layers is self-alignment, and can be formed at a predetermined position with high accuracy without causing a displacement or the like.
[0031]
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device formed by a semiconductor substrate and a semiconductor layer formed thereon. The semiconductor device includes a semiconductor layer of a first conductivity type in which a current flows in a direction crossing a surface of a semiconductor substrate, and an edge region of a second conductivity type located at an edge of the semiconductor layer.
[0032]
In any semiconductor device such as a diode, not limited to a transistor, such as a diode, in which a current flows vertically, an electric field concentration occurs at some imperfect point on an end face of a semiconductor substrate, which causes deterioration of withstand voltage performance. For example, the end face of the semiconductor substrate may be regarded as smooth, but may have some irregularities. With the above configuration, it is possible to prevent a reduction in withstand voltage performance due to electric field concentration regardless of the presence or absence of any imperfect point on the end face.
[0033]
Another semiconductor device of the present invention is a semiconductor device formed by a semiconductor substrate and a semiconductor layer formed thereon. This semiconductor device has a first conductivity type semiconductor layer in which a current flows in a direction intersecting a surface of the semiconductor substrate, and a second conductivity type peripheral layer located between an end face of the semiconductor substrate and the first conductivity type semiconductor layer. Region.
[0034]
The second conductive type peripheral region suppresses the occurrence of dielectric breakdown from the electrode contact region located on the outer surface side of the semiconductor layer to the semiconductor substrate at the outer peripheral end of the semiconductor device. Can be. As a result, it is possible to prevent the withstand voltage performance from deteriorating due to the electric field concentration at the outer peripheral end.
[0035]
For example, in the edge region or the peripheral region, in a semiconductor device in which a plurality of unit semiconductor devices are periodically arranged on a semiconductor substrate, the electric field concentration at the end portion is prevented, thereby deteriorating the withstand voltage performance. Can be prevented. Further, the edge region or the peripheral region can prevent electric field concentration on the end surface of one semiconductor device integrated and assembled on the semiconductor substrate regardless of the surface properties of the end surface of the semiconductor substrate.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0037]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a JFET according to the first embodiment of the present invention. In the JFET 10 of the present embodiment, an n − -type drift layer 3 is formed on an n + -type SiC substrate 1, and a passage 4 communicating with the drift layer 3 is formed of two upper and lower layers that define a channel layer 6 from below. Channel limiting layers 5a and 5b. The channel limiting layer 5 is formed of a p + type upper channel limiting layer 5a and a p− type lower channel limiting layer 5b having a high impurity concentration.
[0038]
A p + type gate region 7 is formed in a surface layer portion above the channel limiting layer 5, and an n + type source region 8 is formed in a surface layer portion outside the p + type gate region 7. The n + type source region 8 is in ohmic contact with the source electrode S, and the upper channel limiting layer 5a is in ohmic contact with the source electrode S through the high concentration p + type contact 18, and the n + type source region 8 is in ohmic contact with the upper channel limiting layer 5a. Are the same potential. The effective space De is determined based on the space between the lower channel limiting layers 5b having a low impurity concentration, as described later. The effective interval is set to 4 μm or less when SiC is used as a semiconductor, but is more preferably set to 2 μm or less.
[0039]
Next, the operation of the above JFET will be described. In the ON state, a predetermined voltage is applied between the source and the drain, and electrons flow laterally from the source region 8 through the channel layer 6 to reach the passage 4 surrounded by the channel limiting layers 5a and 5b. When flowing from the channel layer 6 to the passage 4, the direction of the current is changed from the horizontal direction to the vertical direction, flows in the drift region 3 in the vertical direction, and reaches the drain electrode D.
[0040]
When turning off, a reverse bias voltage is applied to the pn junction between the channel layer 6 and the gate region 7. Since the p-type impurity concentration in gate region 7 is several orders of magnitude higher than the n-type impurity concentration in channel layer 6, the depletion layer extends over the channel layer. Then, as the reverse bias voltage rises, it reaches the upper channel limitation layer 5a in proportion to the (1/2) power of the reverse bias voltage, cuts off the channel layer 6, and turns off the current. By setting the absolute value of the reverse bias voltage to be sufficiently high, the off state can be surely achieved.
[0041]
In this off state, when the forward voltage was increased between the source and the drain, one of the insulating portions was destroyed, and a low-resistance path from the source region to the drain was found. It begins to flow in a state. The withstand voltage performance can be determined from the forward voltage at this time, and the higher the forward voltage, the higher the withstand voltage performance. There is a tendency that the breakdown of any of the above-mentioned insulating portions is more likely to occur at the electric field concentrated portion where the electric field becomes larger.
[0042]
In the above-mentioned JFET, electric field concentration is likely to occur at the end X surrounding the passage 4 of the channel limiting layer 5. As in the JFET of the present embodiment, when the channel limiting layer 5 is composed of the upper channel limiting layer 5a having a high impurity concentration and the lower channel limiting layer 5b having a low impurity concentration, the lower channel limiting layer having a low impurity concentration has: Functions as an electric field relaxation layer. Therefore, electric field concentration at the end X of the channel limiting layer facing the passage 4 can be avoided, and the withstand voltage performance can be improved.
[0043]
The portion below the upper end of the passage 4 of the JFET shown in FIG. 1 may be used in the following description as the basic structure of the breakdown voltage.
[0044]
The configuration in which the channel limiting layer has a two-layer structure as described above is not limited to the JFET shown in FIG. 1, and the gate region 7 and the channel limiting layer are shared by the same region as shown in FIG. May be arranged below the channel layer to form a single-layer channel structure. In this case, the function of gate region 7 is performed by upper channel limiting layer 5a, and lower channel limiting layer 5b functions as an electric field relaxation layer. FIG. 2 shows only the left half of the bisector (plane) of the effective interval.
[0045]
In addition, as shown in FIG. 3, the two channel limiting layers in the present embodiment are such that the gate region 7 is disposed on the channel layer 6 and the gate region 7 and the channel limiting layer 5 form the channel layer 6. Can also be used for JFETs sandwiching. The JFET shown in FIG. 3 also shows only the left half of the bisector (plane) of the effective interval. In FIG. 3, the channel limiting layer 5a is electrically connected to the source electrode S via the p + type region 18. However, the p + -type region 18 may be electrically connected to the gate electrode G located below the source electrode S with the insulating layer 9 interposed therebetween. That is, the channel limiting layer 5a may be electrically connected to the gate electrode G.
[0046]
FIG. 5 is a diagram showing an arrangement of a plurality of gate layers in the stacked channel structure shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c). FIG. 4A is a plan view showing the arrangement of a plurality of gates in the stacked channel structure. FIG. 4B is a cross-sectional view along the line IVB-IVB, and FIG. 4C is a cross-sectional view along the line IVC-IVC. In this JFET, as shown in these figures, a plurality of channel layers 6 extend rightward from a source region 8, and a plurality of gate regions 7a and 7b connected by ap + type region 7c form a plurality of channel layers. 6 and are alternately arranged. The above-mentioned two channel limiting layers can also be used in the JFET having the above structure. In any case, the low concentration layer of the two channel limiting layers functions as an electric field relaxation layer. 4B and 4C also show only the left half of the bisector (plane) of the effective interval.
[0047]
Next, a method for manufacturing the JFET shown in FIG. 1, particularly a method for forming a channel limiting layer having a two-layer structure will be described. After forming a drift layer 3, that is, an n − -type SiC layer 3 on an n + -type SiC substrate 1, channel limiting layers 5 a and 5 b made of two layers having different p-type impurity concentrations are formed on the surface of the n − -type SiC layer. To form At this time, a mask 41 having a width of Dn is arranged on the n − -type SiC layer 3 so as not to introduce a p-type impurity into a portion corresponding to the passage, and ion implantation is performed. The high concentration upper layer 5a of the channel limiting layer mainly contains p-type impurities Al and B, and the low concentration lower layer 5b mainly contains B.
[0048]
The above-described ion implantation is performed by a plurality of times of ion implantation as shown in Table 1. During the plurality of ion implantations, the same mask may be kept as the mask 41.
[0049]
[Table 1]
Figure 2004335697
[0050]
According to Table 1, when B is implanted, the accelerating voltage is set higher than that when Al is implanted, and reaches a deep position. Since B is an element smaller than Al, it is accelerated by the high acceleration voltage and easily reaches a position deeper than Al. FIG. 6 is a diagram showing the distribution of the p-type impurity concentration in the depth direction in which Al and B are combined. The high impurity concentration distribution on the left side with a small distance from the surface in FIG. 6 corresponds to the upper channel limited layer 5a, and the impurity concentration distribution at a deep position corresponds to the lower channel limited layer 5b. It can be seen that all the channel limiting layers are trailing.
[0051]
The above-mentioned spread also occurs in the lateral direction. In other words, since the impurity concentration distribution also extends in the lateral direction and spreads, in the case of the width Dn of the mask 41, the distance between the n-type passages is smaller. The distance between the passages that are narrowed due to the lateral spread of the ion species during the ion implantation and are finally formed is called an effective distance De.
[0052]
When implanted under the implantation conditions in Table 1, as shown in FIG. 5, the upper channel limiting layer 5a extends inward from the mask end to the bottom of the mask by α, and the lower channel limiting layer 5b further extends inward therefrom. Spread by 0.2 μm. Therefore, a relationship of Dn = De + 2 × 0.2 + 2α (unit: μm) is established between the mask width Dn and the effective interval De. The effective distance De is preferably 4 μm or less, and more preferably 2 μm or less.
[0053]
As described above, by forming the channel limitation layer into a two-layer structure and lowering the impurity concentration of the lower channel limitation layer, electric field concentration can be suppressed and the withstand voltage performance can be improved. A specific example of alleviating the electric field concentration will be described in an embodiment.
[0054]
(Embodiment 2)
In a second embodiment of the present invention, a semiconductor device 50 in which a plurality of JFETs 10 described in the first embodiment are arranged on one SiC substrate will be described. FIG. 7 is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment. The JFETs 10 need not necessarily be regularly and periodically arranged. FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 7 (basic structure withstand voltage). The end face of the semiconductor device may not be smooth as shown in FIG. 8 and may have imperfections. The imperfections include, for example, the possibility of unevenness on the end face. This unevenness may be caused by the cutting of the semiconductor substrate, and may be regarded as substantially smooth in some cases, but not in other cases.
[0055]
FIG. 8 shows only the basic structure withstand voltage, but the source region is located on the upper right side of the channel limiting layer, and a voltage is applied between the source region and the drain electrode. When a high voltage is applied between the source and the drain, dielectric breakdown occurs at an end of the semiconductor device starting from an incomplete point, and an avalanche current path is likely to be formed. In order to prevent this, a p-type impurity region, that is, an edge region 50s is arranged at an end portion including the end surface 50b of the SiC layer formed on the SiC substrate. With the arrangement of the edge region 50s, it is possible to suppress dielectric breakdown starting from the unevenness of the end surface. This edge region is formed in the SiC layer above the SiC substrate, but may extend to the SiC substrate.
[0056]
Further, the lower channel limiting layer is extended to the end face side of the substrate so that the n − -type SiC layer 3 is not arranged in the surface layer portion between the end face 50b and the JFET. Due to the arrangement of the peripheral region 5e of the p − -type SiC layer due to the extension to the outside of the lower channel limiting layer, the dielectric breakdown of the portion from the source region located at the outer end of the plurality of JFETs to the drain is also possible. Can be prevented. The width Db of the peripheral region 5e shown in FIG. 8 is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and preferably 10 μm or more in order to pursue further certainty.
[0057]
In the above description, the SiC substrate includes not only the SiC substrate 1 but also the SiC layer formed thereon, and further includes not only the basic breakdown voltage structure but also the SiC layer thereon. The end face 50b of the SiC substrate also refers to the end face of a layer including from the SiC substrate 1 to the upper SiC layer. The edge region 50s is not formed only on the end surface of the SiC layer having the basic breakdown voltage structure, but is formed at the end of the SiC layer including the layer on which the source region is formed.
[0058]
(Embodiment 3)
The third embodiment of the present invention is characterized in that an edge region or a peripheral region is arranged at an end thereof regardless of the type of a semiconductor device formed on a semiconductor substrate. The semiconductor device formed on one semiconductor substrate is not limited to a single device, and may be a transistor or a diode. FIG. 9 is a plan view showing the semiconductor device 60 described above. The four circumferences are surrounded by the end face 60b of the semiconductor substrate. The range of the end face of the semiconductor substrate is widely interpreted to include the semiconductor layer as well as the end face 50b as described above.
[0059]
10 and 11 are cross-sectional views including the end of the semiconductor device shown in FIG. In FIG. 10, an edge region 60s is provided at an end of the semiconductor device having the portion 3 in which the current i flows in the vertical direction toward the semiconductor substrate. The reason that the edge region enhances the withstand voltage performance is the same as that of the edge region 50s in the second embodiment.
[0060]
FIG. 11 shows that the semiconductor device having the portion 3 in which the current flows in the vertical direction is formed at the end of the semiconductor substrate on which the semiconductor device is formed regardless of the presence or absence of the channel limiting layer in the second embodiment so as to surround the semiconductor device. A p-type peripheral region 26 is arranged. The reason for arranging the peripheral region is to prevent dielectric breakdown of a portion between the electrode located on the surface layer at the outer end and the semiconductor substrate on which the electrode facing this electrode is arranged, as described above. is there. When the semiconductor is SiC, the width Dg of the p − -type peripheral region 26 may be 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and preferably 10 μm to pursue further certainty. It is desirable to have the above.
[0061]
【Example】
Next, a description will be given of the results of simulation calculation of the electric field distribution and the potential distribution by forming a predetermined impurity concentration in each layer and each region in the above-described semiconductor device and JFET.
[0062]
(Example 1)
FIG. 12 is a cross-sectional view (basic structure of breakdown voltage) of the JFET according to the first embodiment of the present invention. In this JFET, the effect of the effective interval De on the withstand voltage performance was examined. The overall width is constant at 10 μm. The impurity concentration of each of the upper channel limiting layer 5a and the lower channel limiting layer 5b is 1 × 10 18 / Cm 3 And 1 × 10 17 / Cm 3 It is. In this JFET, the drift layer is composed of two layers 3a and 3b, the lower layer 3b is a high concentration layer, and the upper layer 3a is a low concentration layer. Although not described in detail here, another study has confirmed that the merit of forming the drift layer in the two-layer structure is not so large. Therefore, in the case of a single drift layer 3a, the same result as that of the present embodiment can be obtained.
[0063]
FIG. 13 shows the relationship between the drain voltage and the maximum electric field strength when the effective interval is changed in the range of 3.2 μm to 0.4 μm. Experience shows that the maximum electric field strength is 2.3 × 10 6 Since dielectric breakdown occurs at V / cm or more, the electric field strength is used as a reference for dielectric breakdown. According to FIG. 13, in the test sample C7 having an effective interval of 2.0 μm, even when the drain voltage exceeds 1000 V, the maximum electric field intensity is 2.3 × 10 6 V / cm. Further, in the test specimens C3 to C6 whose effective intervals are smaller than that, the pressure resistance performance is more excellent than that of C7.
[0064]
FIG. 14 shows the effect of the effective spacing on the maximum electric field strength when the drain-gate voltage is 500 V and 1000 V. When the drain-gate voltage is 500 V, the maximum electric field strength is 2.3 × 10 6 V / cm or more, but when the drain-gate voltage becomes 1000 V, the effective electric field De exceeds 2 μm and the maximum electric field intensity becomes 2.3 × 10 6 V / cm or more. From these, it can be seen that, for example, when it is desired to obtain a withstand voltage of 1000 V, the effective interval should be 2.0 μm or less.
[0065]
FIG. 15 is a diagram showing an electric field distribution when the effective interval De of the JFET shown in FIG. 12 is 2.0 μm. For convenience of calculation, the anode 31 was arranged on the left and right of the upper end, and the cathode 32 was arranged on the bottom of the SiC substrate, and a voltage was applied between the anode and the cathode. According to FIG. 15, the maximum value of the electric field intensity is distributed not at the end portions of the channel limiting layers 5a and 5b, but at least inside the channel limiting layers 5a and 5b with a slight gap therebetween. This is because the electric field intensity is reduced in the channel-limited layer due to the lowering of the impurity concentration in the lower channel-limited layer by making the channel-limited layer a two-layer structure. That is, the electric field strength of 1 × 10 5 There is a constant electric field strength line of V / cm, and the electric field strength is 1 × 10 6 The isoelectric field strength line of V / cm is located. The gap 30 can be said to be a region where the electric field concentration is reduced near the channel limiting layer. Therefore, the maximum electric field intensity is located in the drift layer without being located at the corner of the end of the channel limiting layer facing the passage. Therefore, the local formation of an abnormally high electric field strength is solved.
[0066]
From Example 1 described above, it was found that the electric field was alleviated by reducing the impurity concentration of the lower channel limiting layer by forming the channel limiting layer into a two-layer structure. Due to this electric field relaxation, it is possible to eliminate distribution of an abnormally large electric field intensity locally in contact with a corner portion of the channel limitation layer facing the passage. When the effective distance between the passages is 2.0 μm or less and the gate / drain voltage is 1000 V, the maximum electric field strength is 2.3 × 10 6 Can be less than. As described above, the depletion layer blocks the channel layer at the gate voltage that maintains the off state. When the effective spacing is narrow, the depletion layers projecting from both sides are easy to unite, and it looks like an integrated depletion layer is formed when viewed from the source and drain. It is considered to be a position that enters the drift layer greatly from the corner portion of. As a result, the electric field intensity distribution is further reduced in the influence of the corners, and the maximum electric field intensity is reduced.
[0067]
(Example 2)
In the second embodiment of the present invention, the effect of the peripheral region 5e in which the lower channel limiting layer having a low impurity concentration extends toward the end of the SiC substrate of the semiconductor device in which the JFET is arranged will be described. FIG. 16 is a diagram showing the structure of the semiconductor device used. In the semiconductor device shown in FIG. 16, the drift layer has a two-layer structure. Of the four specimens examined in this example, three have the two drift layers shown in FIG. The body was composed of one drift layer.
[0068]
As shown in FIG. 17, when the width Db of the peripheral region is about 9.8 μm, it can be seen that very excellent withstand voltage performance is exhibited. Further, since there is no great difference in the maximum electric field strength depending on whether the drift layer is a single layer or a multilayer, it is understood that the number of layers of the drift layer does not significantly affect the withstand voltage performance. If the width Db of the peripheral region is 9.8 μm, the maximum electric field intensity is 2.3 × 10 at the maximum. 6 V / cm has not been reached.
[0069]
FIG. 18 shows the electric field distribution. In the present embodiment, the problem is that the JFET is located at the edge of the substrate, so that the anode 31 is located as shown in FIG. According to this electric field distribution, the maximum electric field intensity occurs at the corner of the upper channel limiting layer. However, as described with reference to FIG. 17, even when the maximum electric field strength occurs at the end of the channel limiting layer, the maximum electric field strength is 2.3 × 10 6 V / cm has not been reached. This is achieved by setting the width Db of the peripheral region to about 10 μm as shown in FIG. 6 This is because the contour lines of V / cm were pushed down from the surface layer to the drift layer side. As a result, the maximum electric field strength is 2.3 × 10 6 The value does not become so high as to exceed V / cm. The region 30 can be said to be a region in which the electric field concentration is reduced near the channel limiting layer.
[0070]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is shown by the description of the claims, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.
[0071]
【The invention's effect】
The JFET and the semiconductor device of the present invention are configured so that local electric field concentration is unlikely to occur, and have excellent breakdown voltage performance. In the method of manufacturing a JFET of the present invention, a channel limiting layer having a two-layer structure can be easily formed by an ion implantation method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a JFET according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing another JFET according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing still another JFET according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 4 (a) to 4 (c) are diagrams showing other JFETs according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 4 (a) is a plan view and FIG. 4 (b) is a IVB-IVB of FIG. FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line IVC-IVC of FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view in which ions are implanted into a channel limiting layer in the manufacture of the JFET of FIG. 1;
6 is a diagram showing a depth distribution of an impurity concentration after the ion implantation of FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view taken along the line VIII-VIII in FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 9 at an end of a semiconductor substrate.
FIG. 11 is a sectional view of another semiconductor device according to a third embodiment of the present invention at an end of a semiconductor substrate.
FIG. 12 shows a JFET according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a drain voltage and a maximum electric field intensity.
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between an effective distance De and a maximum electric field intensity.
FIG. 15 is a diagram showing an electric field distribution when the effective interval is 2.0 μm.
FIG. 16 shows a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a drain voltage and a maximum electric field intensity for each width of each peripheral region.
FIG. 18 is a diagram showing an electric field distribution in the case where the width of the peripheral region is 9.8 μm.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 SiC substrate, 3, 3a, 3b drift layer, 4 passages, 5 channel limitation layer, 5a upper channel limitation layer, 5b lower channel limitation layer, 5e lower channel limitation layer extending to the end of semiconductor device, 6 channel layer , 7, 7a, 7b Gate region, 7cp + type region (connection region), 8 drain region, 9 insulating layer, 10JFET, 18p + type contact, 26 peripheral region, 30, 40 Relaxed electric field region near channel limited layer , 31 Positive electrode in simulation calculation, 32 Negative electrode in simulation calculation, 50, 60 Semiconductor device, 50b, 60b End face of semiconductor device, Db substrate end face, De effective spacing, width of Dg peripheral region, D drain, G gate, S Source.

Claims (14)

第1導電型の半導体基板とその上に接して積層された半導体層を含む接合型電界効果トランジスタであって、
前記積層された半導体層の表層部に位置する第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域に接してソース領域の下から表層部の下に沿って延在して位置する第1導電型のチャネル層と、
前記チャネル層に接して位置するゲート領域と、
前記半導体基板の上に接して位置し、ドレイン領域に通じる第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層と前記チャネル層とに上下から挟まれて位置し、前記チャネル層から前記ドリフト層に通じる第1導電型の通路を囲むように位置する第2導電型のチャネル限定層とを備え、
前記チャネル限定層が、前記チャネル層の下に接して位置し、所定の第2導電型不純物濃度の上部チャネル限定層と、その上部チャネル限定層に接してその下に位置し、前記所定の第2導電型不純物濃度より低い第2導電型不純物濃度の下部チャネル限定層とから構成される、接合型電界効果トランジスタ。
A junction field effect transistor including a semiconductor substrate of a first conductivity type and a semiconductor layer stacked on and in contact with the first conductivity type,
A first conductivity type source region located at a surface portion of the stacked semiconductor layers;
A first conductivity type channel layer which is in contact with the source region and extends from below the source region to below the surface layer portion;
A gate region located in contact with the channel layer;
A first conductivity type drift layer located in contact with the semiconductor substrate and communicating with the drain region;
A second conductive type channel limiting layer positioned between the drift layer and the channel layer from above and below and surrounding a first conductive type passage from the channel layer to the drift layer;
The channel limiting layer is located below and in contact with the channel layer, an upper channel limiting layer having a predetermined second conductivity type impurity concentration, and is located in contact with and below the upper channel limiting layer; A junction field effect transistor comprising: a lower channel limiting layer having a second conductivity type impurity concentration lower than the second conductivity type impurity concentration.
前記チャネル層の上の表層部に前記ゲート領域を備え、そのゲート領域は前記チャネル限定層とソース領域を挟んでいる、請求項1に記載の接合型電界効果トランジスタ。The junction field effect transistor according to claim 1, wherein the gate region is provided in a surface layer portion above the channel layer, and the gate region sandwiches the channel limiting layer and the source region. 前記チャネル限定層がゲート領域である、請求項1に記載の接合型電界効果トランジスタ。2. The junction field effect transistor according to claim 1, wherein said channel limiting layer is a gate region. 前記下部チャネル限定層は、前記上部チャネル限定層の側部を覆い、その上部チャネル限定層と前記第1導電型の通路との間に延在している、請求項1〜3のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。4. The method according to claim 1, wherein the lower channel limiting layer covers a side of the upper channel limiting layer and extends between the upper channel limiting layer and the first conductivity type passage. The junction type field effect transistor according to the above. 前記チャネル限定層は、ソース領域と電気的に導通されている、請求項1〜4のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。The junction field effect transistor according to claim 1, wherein the channel limiting layer is electrically connected to a source region. 前記第1導電型の半導体基板の端縁において、前記半導体層の端縁に第2導電型の端縁領域が設けられている、請求項1〜5のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。The junction field effect transistor according to claim 1, wherein an edge region of the second conductivity type is provided at an edge of the semiconductor layer at an edge of the semiconductor substrate of the first conductivity type. . 前記接合型電界効果トランジスタは前記半導体基板にわたって複数個配置されており、前記半導体基板の端に位置する接合型電界効果トランジスタでは、前記半導体基板の端において、前記下部チャネル限定層が前記上部チャネル限定層の外側の側部を覆い、前記半導体層の端縁と前記上部チャネル限定層との間に延在している、請求項1〜6のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。A plurality of the junction field-effect transistors are arranged over the semiconductor substrate. In the junction field-effect transistor located at an edge of the semiconductor substrate, at the edge of the semiconductor substrate, the lower channel limiting layer is formed by the upper channel limiting layer. 7. The junction field effect transistor according to claim 1, wherein the junction field effect transistor covers an outer side of a layer and extends between an edge of the semiconductor layer and the upper channel limiting layer. 前記半導体基板および半導体層がSiCであり、前記下部チャネル限定層の不純物の主成分がボロンであり、前記上部チャネル限定層の不純物の主成分がアルミニウムおよびボロンである、請求項1〜7のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate and the semiconductor layer are SiC, a main component of an impurity in the lower channel limiting layer is boron, and a main component of an impurity in the upper channel limiting layer is aluminum and boron. Or a junction type field effect transistor. 前記第1導電型の通路の実効間隔が4μm以下である、請求項8に記載の接合型電界効果トランジスタ。9. The junction field effect transistor according to claim 8, wherein an effective distance between the first conductivity type paths is 4 μm or less. 前記半導体層の端縁と前記上部チャネル限定層との間に延在する下部チャネル限定層の幅が3μm以上ある、請求項8に記載の接合型電界効果トランジスタ。9. The junction field effect transistor according to claim 8, wherein a width of a lower channel limiting layer extending between an edge of the semiconductor layer and the upper channel limiting layer is 3 μm or more. 第1導電型の半導体基板とその上に接して積層された半導体層を含み、チャネル層を電流が前記半導体基板の面に沿う方向に流れ、チャネル層を経過してドリフト層を前記半導体基板の面に交差する方向に流れる接合型電界効果トランジスタの製造方法であって、
前記半導体基板上に前記ドリフト層を含む第1導電型の半導体層を形成する工程と、
前記ドリフト層の上であって前記チャネル層の下に、2種類の第2導電型不純物濃度の層を2層形成するに当り、前記第1導電型の半導体層中にイオン種の異なるイオン注入を行なう、接合型電界効果トランジスタの製造方法。
A semiconductor substrate of a first conductivity type and a semiconductor layer stacked on and in contact with the first conductivity type; a current flows through the channel layer in a direction along a surface of the semiconductor substrate; A method for manufacturing a junction field effect transistor flowing in a direction crossing a plane,
Forming a first conductivity type semiconductor layer including the drift layer on the semiconductor substrate;
In forming two layers of the second conductivity type impurity concentration on the drift layer and under the channel layer, ion implantation of different ion species into the first conductivity type semiconductor layer is performed. A method of manufacturing a junction field effect transistor.
前記半導体はSiCであり、前記第2導電型不純物濃度の層を2層形成するに当り、マスクを用いてまずボロンをイオン注入して下層のp型低濃度層を形成し、次いで、アルミニウムをイオン注入してその上に位置し、それより高濃度の上層のp型高濃度層を形成する、請求項11に記載の接合型電界効果トランジスタの製造方法。The semiconductor is SiC. In forming the two layers of the second conductivity type impurity concentration, first, boron is ion-implanted using a mask to form a lower p-type low concentration layer, and then aluminum is formed. The method of manufacturing a junction field-effect transistor according to claim 11, wherein the p-type high-concentration layer, which is located thereon and has a higher concentration than the p-type high-concentration layer, is formed by ion implantation. 半導体基板とその上に形成された半導体層とによって形成された半導体装置であって、
前記半導体基板の面に交差する方向に電流が流れる第1導電型の半導体層と、前記半導体層の端縁に位置する第2導電型の端縁領域とを備える、半導体装置。
A semiconductor device formed by a semiconductor substrate and a semiconductor layer formed thereon,
A semiconductor device comprising: a first conductivity type semiconductor layer in which a current flows in a direction intersecting a surface of the semiconductor substrate; and a second conductivity type edge region located at an edge of the semiconductor layer.
半導体基板とその上に形成された半導体層とによって形成された半導体装置であって、
前記半導体基板の面に交差する方向に電流が流れる第1導電型の半導体層と、前記半導体基板の端面と前記第1導電型の半導体層との間に位置する第2導電型の周囲領域とを備える、半導体装置。
A semiconductor device formed by a semiconductor substrate and a semiconductor layer formed thereon,
A first conductive type semiconductor layer in which a current flows in a direction intersecting the surface of the semiconductor substrate; a second conductive type peripheral region located between an end surface of the semiconductor substrate and the first conductive type semiconductor layer; A semiconductor device comprising:
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