JP2013093560A - 縦型半導体素子を備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐカラムの側面にテーパ角を設ける構造とするスーパージャンクション構造を備えた半導体装置において、加工バラツキのマージンが得られるようにする。
【解決手段】スーパージャンクション構造においてｐ型領域３の側面を深さ方向に対して傾斜させてテーパ角を設ける場合において、ｐ型領域３の側面と基板水平方向との成す角度θが次式を満たすように設定する。
【数２５】

なお、Ｗはカラムピッチ、Ｗｎはｎ型領域２ｂの幅、Ｎｎはｎ型領域２ｂの不純物濃度、ｉは余剰濃度、ｚはスーパージャンクション構造の深さ、ｄｉ／ｄｚは余剰濃度勾配である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドリフト層内にｎ型領域とｐ型領域がストライプ状に交互に繰り返し形成された構造（カラム）からなるスーパージャンクション構造を有し、基板表面と裏面との間において電流を流すように構成される縦型半導体素子を備えた半導体装置に関するものである。

従来より、ドリフト層内にｎ型カラムとｐ型カラムがストライプ状に交互に繰り返し形成されたスーパージャンクション構造を有する縦型半導体素子が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。スーパージャンクション構造の最大の特徴は、オン時に電流経路となるｎカラムと、オフ時にｎカラムの電荷を打ち消し、あたかも電荷を有していないように空乏層を拡げるｐカラムが繰り返し形成されたドリフト層である。これらのうちのドリフト層がオン抵抗や耐圧の大部分を担っている。そして、スーパージャンクション構造では、ｎカラムとｐカラムの電荷量を一致させてチャージバランスを一致させることで耐圧を得るようにしている。

特開２００１−１１１０４１号公報 特開２０１０−３９７０号公報

しかしながら、ｎカラムとｐカラムとを形成する際の加工バラツキによって、ｎカラムとｐカラムとの電荷量に差が生じる。この差が大きいと、打ち消されない電荷が空乏層の広がりを妨げ、所望の耐圧が得られなくなる。

このように、スーパージャンクション構造を有する縦型半導体素子を備えた半導体装置では、ｎカラムとｐカラムとを形成する際の加工バラツキによって耐圧歩留が低下するという固有の問題がある。この耐圧歩留の低下は、低オン抵抗にするためにｎカラムを高濃度にするほど顕著になる。これは、加工バラツキによって生じるｎカラムとｐカラムとの電荷量の差が増加するためである。したがって、スーパージャンクション構造では、オン抵抗と耐圧歩留との間にトレードオフの関係があり、さらに、このトレードオフの関係は高耐圧にするほど厳しくなる。

この問題に対して、従来では、ｐカラムを深さ方向に対して傾斜させ、ｐカラムの側面にテーパ角をつける構造とすることが考えられる。ｐカラムの側面にテーパ角をつけることにより、加工バラツキによってｎカラムとｐカラムとの電荷量の差が生じても耐圧が低下し難くなる。これにより、加工バラツキのマージンが増えるため、オン抵抗と耐圧歩留とのトレードオフを改善することが可能となる。

ところが、ｐカラムの側面のテーパ角をつけすぎると、中心耐圧が低下するため、逆に加工バラツキのマージンを減少させるという問題が発生する。

なお、ここではｐカラムの側面にテーパ角を設けることで耐圧低下の抑制を図るという設計思想について説明したが、ｐカラムの深さ方向においてｎカラムとｐカラムの濃度関係に基づいて耐圧低下の抑制を図ることもでき、その場合にも上記と同様の問題が発生し得る。

本発明は上記点に鑑みて、スーパージャンクション構造を備えた半導体装置において、加工バラツキのマージンを得ることができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ドリフト層（２）のうち第２導電型領域（３）の間に残された部分による第１導電型領域（２ｂ）と第２導電型領域（３）とが交互に繰り返し並べられることによりスーパージャンクション構造が構成されていると共に、半導体基板（１）の表面側に形成された表面電極（１２）と裏面側に形成された裏面電極（１３）との間に電流を流す縦型半導体素子を備えた半導体装置において、第１導電型領域（２ｂ）および第２導電型領域（３）のピッチであるカラムピッチをＷ、第１導電型領域（２ｂ）の幅をＷｎ、第１導電型領域（２ｂ）の不純物濃度をＮｎ、第２導電型領域（３）内の電荷Ｑｐと第１導電型領域（２ｂ）内の電荷Ｑｎとの差をカラムピッチＷにて割った値である余剰濃度をｉ、スーパージャンクション構造の深さをｚとし、単位深さｄｚ当りの余剰濃度ｉの変化量である余剰濃度勾配をｄｉ／ｄｚ、所望の耐圧にマージンを与えた中心耐圧Ｖｍａｘとすると、余剰濃度勾配が、次の数式１を満たしていることを特徴としている。

このように、スーパージャンクション構造において、余剰濃度勾配が数式１を満たすように設定している。このように設定することで、加工バラツキのマージンを減少させることなく所望の耐圧を得ることが可能となり、耐圧歩留の低下を防止することが可能となる。

なお、上記数式１については、次のようにして導出している。図１４は、数式１の導出に用いている耐圧の考え方を示した模式図である。

まず、中心耐圧Ｖｍａｘは、単位深さｄｚと電界強度Ｅとにより、数式２で表される。また、スーパージャンクション構造において第２導電型領域（３）の側面を深さ方向に対して傾斜させてテーパ角を設ける場合、図１４（ａ）に示すように余剰濃度ｉが深さによって変化している。このことから、単位深さｄｚ当たりの電界強度Ｅの変化は、電荷ｑと誘電率εを用いて数式３で表される。数式３中におけるｄｉ／ｄｚは、余剰濃度ｉが深さｚで変化することを表している。さらに、余剰濃度を電界強度に置き換えると、電界強度Ｅは図１４（ｂ）のように示される。そして、電界強度Ｅは、数式４のようにｄＥ／ｄｚの積分によって求まる。

一方、空乏層幅Ｗについては、図１４（ｃ）に示すように、深さ方向における片側、つまり電界強度Ｅ＝０になるときのｚが空乏層幅Ｗの１／２のωとなる。ωは数式５をωの式に直すことで、数式６のように導出することができる。そして、空乏層幅Ｗは、２ωであることから、数式７のように表すことができる。この式をｄｉ／ｄｚの式に変形することで、数式１を導出することができる。

次に、ｄｉ／ｄｚ＝（ａ／Ｖｍａｘ）²の導出方法について説明する。まず、中心耐圧Ｖｍａｘは、図１４（ｃ）の片側について電界強度Ｅを積分したものを２倍することによって求められる。そして、空乏層幅ω（Ｗの１／２）を代入すると、中心耐圧Ｖｍａｘは、数８のように表すことができる。

この数８の両辺を２乗すると、数９が導出されるため、これをｄｉ／ｄｚの式に直すと、数１０が導出され、このうちの１／Ｖｍａｘ²の係数をａ²とおくと、ｄｉ／ｄｚ＝（ａ／Ｖｍａｘ）²を導出することができる。そして、この数式に対して、破壊電界強度εｃ＝０．３ＭＶ／ｃｍ、シリコンの誘電率ε＝ε０×εｓｉとして要求される耐圧毎にａを求めることで、後述する請求項４〜６に示されるような各余剰濃度勾配を演算できる。なお、ε０は真空誘電率（ε０＝８．８５×１０^-14Ｆ／ｃｍ）であり、εｓｉはシリコンの比誘電率（εｓｉ＝１１．９）である。

請求項２に記載の発明では、第２導電型領域（３）の深さがドリフト層（２）の厚みよりも小さくされ、第２導電型領域（３）の下方にドリフト層（２）が介在していることを特徴としている。

このように、第２導電型領域（３）の下方にドリフト層（２）が残された状態にすることで、スーパージャンクション構造の下部において電界が高くなることを抑制でき、中心耐圧の低下を抑制することが可能となる。

請求項３に記載の発明では、第２導電型領域（３）の両側面が基板水平方向に対して成す角度θは、次式を満たしていることを特徴としている。

このように、スーパージャンクション構造において第２導電型領域（３）の側面を深さ方向に対して傾斜させてテーパ角を設ける場合において、第２導電型領域（３）の側面と基板水平方向との成す角度θが上記数式を満たすように設定している。このような角度θに設定することで、加工バラツキのマージンを減少させることなく所望の耐圧を得ることが可能となり、耐圧歩留の低下を防止することが可能となる。

例えば、請求項４に記載したように、縦型半導体素子を耐圧３００Ｖ以上に設定する場合、余剰濃度勾配を３．９×１０¹⁴ｃｍ^-2μｍ^-1未満に設定すれば良い。また、請求項５に記載したように、縦型半導体素子を耐圧６００Ｖ以上に設定する場合、余剰濃度勾配を１．１×１０¹⁴ｃｍ^-2μｍ^-1未満に設定すれば良い。さらに、請求項６に記載したように、縦型半導体素子を耐圧１２００Ｖ以上に設定する場合、余剰濃度勾配を３．０×１０¹³ｃｍ^-2μｍ^-1未満に設定すれば良い。

このような半導体装置に備えられる縦型半導体素子としては、請求項７に記載したように、スーパージャンクション構造の上に第２導電型のベース領域（４）と、ベース領域（４）の表層部に形成され、ドリフト層（２）よりも高不純物濃度とされた第１導電型の第１不純物領域（５）と、ドリフト層（２）の表面に形成されたゲート絶縁膜（８）と、ゲート絶縁膜（８）の表面に形成されたゲート電極（９）とによりゲート構造が構成され、ベース領域（４）の表層部のうち第１導電型領域（２ｂ）を挟んでトレンチ（７）と反対側に形成され、ベース領域（４）よりも高不純物濃度とされた第２導電型のコンタクト領域（６）と、第１不純物領域（５）およびコンタクト領域（６）に電気的に接続された表面電極（１２）と、半導体基板（１）に電気的に接続された裏面電極（１３）とを有していて、ゲート電極（９）への電圧印加に基づいて表面電極（１２）と裏面電極（１３）との間に電流を流す縦型半導体素子が挙げられる。

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

本発明の第１実施形態にかかる縦型ＭＯＳトランジスタが備えられた半導体装置のセル領域Ｒｃの断面図である。 図１に示す半導体装置のレイアウト図である。 （ａ）は、スーパージャンクション構造の１カラム分を抽出した断面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面における電荷Ｑｎと電荷Ｑｐの大小関係に対応する電界強度分布を示した図である。 電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係に対する耐圧の関係を示した図である。 図３（ａ）の構造について、余剰濃度ｉを有する余剰濃度層２０と見立てた場合の模式図である。 角度θを９０度未満とした場合における耐圧の考え方を示した模式図である。 （ａ）は、角度θを９０度未満とした場合のスーパージャンクション構造の１カラム分を抽出した断面図であり、（ｂ）は、その場合の電荷Ｑｎと電荷Ｑｐの大小関係に対応する電界強度分布を示した図である。 電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係に対する耐圧の関係を示した図である。 所望の耐圧となる電界強度分布を想定し、そこから角度θを導出するまでのイメージを示した説明図である。 他の実施形態で説明するｐ型領域３をイオン注入で形成する場合の様子を示した断面図である。 他の実施形態で説明する縦型ＭＯＳトランジスタが備えられた半導体装置のセル領域Ｒｃの断面図である。 他の実施形態で説明する縦型ＭＯＳトランジスタが備えられた半導体装置のセル領域Ｒｃの断面図である。 図１１（ａ）、（ｂ）それぞれの場合における深さｚに対する余剰濃度の変化を示した図である。 他の実施形態で説明するｐ型領域３をイオン注入で形成する場合の角度θの設定の仕方を示した断面図である。 数式１の導出に用いている耐圧の考え方を示した模式図である。

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

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、縦型半導体素子として縦型ＭＯＳトランジスタを備えた半導体装置を例に挙げて説明する。図１は、本実施形態にかかる縦型ＭＯＳトランジスタが備えられた半導体装置のセル領域Ｒｃの断面図である。また、図２は、図１に示す半導体装置のレイアウト図である。図１は、図２中のＡ−Ａ’断面図に対応している。以下、これらの図を参照して、縦型ＭＯＳトランジスタを備えた半導体装置について説明する。

図１に示す本実施形態の半導体装置には、縦型ＭＯＳトランジスタとして、トレンチゲート構造の反転型の縦型ＭＯＳトランジスタが備えられている。図１に示すように、単結晶シリコンなどの単結晶半導体で構成されたｎ⁺型基板１を用いて縦型ＭＯＳトランジスタが形成されている。ｎ⁺型基板１は、一面を主表面１ａ、その反対側の面を裏面１ｂとし、例えばｎ型不純物濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3とされている。このｎ⁺型基板１の主表面１ａ上に、例えばｎ型不純物濃度が８．０×１０¹⁵ｃｍ^-3とされたｎ型ドリフト層２が形成されている。

ｎ型ドリフト層２には、図２に示すように、一方向（図２の紙面左右方向）を長手方向とする短冊状のトレンチ２ａが長手方向と垂直な方向において複数個等間隔に並べられて形成されている。そして、図１に示すようにトレンチ２ａ内を埋め込むように、例えばｐ型不純物濃度が８．０×１０¹⁵ｃｍ^-3とされたｐ型領域（ｐ型カラム）３が形成されている。これにより、図１に示すように、ｎ型ドリフト層２のうちトレンチ２ａの間に残された部分をｎ型領域（ｎ型カラム）２ｂとし、ｎ型領域２ｂとｐ型領域３とが等間隔にストライプ状に交互に繰り返し形成された構造からなるスーパージャンクション構造が構成されている。

例えば、スーパージャンクション構造によって耐圧を６００Ｖ程度見込む場合には、ｎ型ドリフト層２の深さが３０〜５０μｍ、例えば４５μｍとされ、ｎ型領域２ｂおよびｐ型領域３のピッチ（カラムピッチ）は６．０μｍに設定される。そして、ｎ型領域２ｂおよびｐ型領域３の幅の比が１：１とされ、セル領域Ｒｃでの面積比が１：１となるようにしてある。また、加工バラツキが発生しても耐圧が得られるように、トレンチ２ａの側面が深さ方向に対して傾斜させられたテーパ角を有した構造とされいる。そして、加工バラツキのマージンが得られるように、トレンチ２ａの側面、つまり隣り合うｎ型領域２ｂとｐ型領域３の境界面が基板水平方向に対して成す角度θ（＝テーパ角）を例えば８８．８度以上かつ９０度未満に設定してある。ただし、角度θは、ｐ型領域３の幅が深さ方向において徐々に狭まるような順テーパとされる場合におけるトレンチ２ａの側面が基板水平方向に対する角度を意味している。ｐ型領域３の幅が深さ方向において徐々に広くなるような逆テーパとなる場合、マージンが低下するため、逆テーパとなる場合において角度θが上記角度範囲となる場合については本発明に含まれない。

ｎ型領域２ｂおよびｐ型領域３の表面には、ｐ型ベース領域４が形成されている。ｐ型ベース領域４は、例えばｐ型不純物濃度が１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3とされ、深さは１．０μｍとされている。このｐ型ベース領域４の表層部には、ｎ型ドリフト層２よりも高不純物濃度とされたソース領域となるｎ⁺型不純物領域５が形成されていると共に、ｐ型ベース領域４よりも高不純物濃度とされたｐ⁺型コンタクト領域６が形成されている。ｎ⁺型不純物領域５は、例えばｎ型不純物濃度が１．０×１０²⁰ｃｍ^-3とされ、深さは０．４μｍとされている。ｐ⁺型コンタクト領域６は、ｐ型ベース領域４の表層部のうちｎ⁺型不純物領域５を挟んで後述するトレンチゲート構造と反対側に配置され、例えばｐ型不純物濃度が１．０×１０²⁰ｃｍ^-3とされ、深さは０．４μｍとされている。

また、ｎ⁺型不純物領域５およびｐ⁺型ベース領域４を貫通してｎ型領域２ｂに達するように、紙面垂直方向を長手方向とした複数本のトレンチ７が等間隔に並べて形成されている。本実施形態では、トレンチ７をｎ型領域２ｂが形成されている位置に設けており、隣り合うトレンチ７同士の間にｐ型領域３が配置されるようにしている。そして、トレンチ７の表面を覆うようにゲート絶縁膜８が形成されており、このゲート絶縁膜８の表面においてトレンチ７を埋め込むようにドープトＰｏｌｙ−Ｓｉなどで構成されたゲート電極９が形成されている。これらにより、トレンチゲート構造が構成されている。このトレンチゲート構造を構成するためのトレンチ７は、図２中には示していないが、本実施形態ではスーパージャンクション構造を構成するためのトレンチ２ａの長手方向と同方向を長手方向として延設されている。例えば、トレンチ７の深さは３．５μｍ、幅は１．０μｍとされている。

さらに、トレンチ７同士の間において、ｐ型ベース領域４よりもｐ型不純物濃度が高濃度とされたｐ⁺型ボディ層１０が形成されている。ｐ⁺型ボディ層１０は、例えばｐ型不純物濃度が１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3とされ、深さは２．０μｍとされている。

また、トレンチゲート構造の上方にはゲート電極９を覆うように層間絶縁膜１１が形成されている。さらに、この層間絶縁膜１１に形成されたコンタクトホールを通じてｎ⁺型不純物領域５やｐ⁺型コンタクト領域６と電気的に接続された表面電極（ソース電極）１２が形成されている。そして、ドレイン領域となるｎ⁺型基板１の裏面に裏面電極（ドレイン電極）１３が形成され、縦型ＭＯＳトランジスタが構成されている。

このように構成される縦型ＭＯＳトランジスタは、例えば、ゲート電極９に対してゲート電圧を印加していないときには、ｐ型ベース領域４の表層部にチャネルが形成されないため、表面電極１２と裏面電極１３の間の電流が遮断され、ゲート電圧を印加すると、その電圧値に応じてｐ型ベース領域４のうちトレンチ７の側面に接している部分の導電型が反転してチャネルが形成され、表面電極１２と裏面電極１３の間に電流を流すという動作を行う。

そして、このような縦型ＭＯＳトランジスタにおいて、トレンチ２ａの側面、つまりｐ型領域３の側面が基板水平方向に対して成す角度θが８８．８度となるようにしてある。この角度θの設定方法について、図３〜図９を用いて説明する。

まず、角度θが９０度のとき、つまりｐ型領域３の側面が深さ方向に対して傾斜していない構造について考えてみる。図３（ａ）は、この場合のスーパージャンクション構造の１カラム分を抽出した断面図である。この場合において、ｎ型領域２ｂの幅をＷｎ、ｐ型領域３の幅をＷｐとし、カラムピッチをＷ、ｎ型領域２ｂの不純物濃度をＮｎ、ｐ型領域３の不純物濃度をＮｐとし、ｎ型領域２ｂやｐ型領域３に含まれる電荷をそれぞれＱｎ、Ｑｐとする。

図３（ａ）に示すようなｐ型領域３の側面が深さ方向に対して傾斜していない構造の場合において、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐの大小関係に対応する電界強度分布は、図３（ｂ）の実線のように表される。すなわち、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐが等しい場合（Ｑｎ＝Ｑｐ）には、深さ方向において均一な電界強度分布となり、深さ方向のどの位置でも破壊電界強度εｃ、つまりアバランシェブレークダウンが生じる電界強度が同じになる。これに対して、電荷Ｑｎが電荷Ｑｐよりも大きい場合（Ｑｎ＞Ｑｐ）には、浅い位置の方が電界強度が大きく、深くなるほど電界強度が小さくなる。逆に、電荷Ｑｎが電荷Ｑｐよりも小さい場合（Ｑｎ＜Ｑｐ）には、浅い位置の方が電界強度が小さく、深くなるほど電界強度が大きくなる。このように、電荷Ｑｎおよび電荷Ｑｐの大小関係に応じて電界強度分布が変化し、この電界強度分布によって囲まれた領域の面積により耐圧が決まる。したがって、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとが等しいとき、つまりチャージバランスが取れているときが最も耐圧が高くなる。

ここで、上記電界強度分布に基づいて、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係に対応する耐圧を示すと、図４のように表され、所望の耐圧以上が得られるようにするためには、耐圧が最も高くなる中心耐圧、つまりＱｎ＝Ｑｐの位置を中心として、ある程度の範囲のみであり、これがチャージアンバランスのマージンとして見込める範囲となる。

そして、オフ時に相殺しきれない電荷として残る濃度を余剰濃度ｉと定義すると、余剰濃度ｉは、次式で表されることから、図３（ａ）の構造は、余剰濃度ｉを有する余剰濃度層２０と見立てて、図５の模式図として見做すことができる。

（数１２） 余剰濃度ｉ＝（Ｑｐ−Ｑｎ）／Ｗ
実際には基板水平方向（横方向）の電界強度分布もあるため、深さ方向（縦方向）の電界強度分布だけでなく基板水平方向の電界強度も考慮して余剰濃度ｉを定義するべきである。しかし、基板水平方向の電界強度に対して深さ方向の電界強度の方が支配的であることから、基板水平方向の電界強度分布に関しては無視している。なお、数式１中における電荷Ｑｎおよび電荷Ｑｐは、次式で示されることから、余剰濃度ｉは、ｎ型領域２ｂおよびｐ型領域３の不純物濃度と幅Ｗｎ、Ｗｐに基づいて表すことができる。
は、それぞれ次式で表される。

（数１３） Ｑｎ＝Ｎｎ×Ｗｎ
（数１４） Ｑｐ＝Ｎｐ×Ｗｐ
次に、上記を角度θが９０度未満とされ、ｐ型領域３の側面が深さ方向に対して傾斜されられてテーパ角がつけられた構造に適用した場合について考えてみる。図６は、角度θを９０度未満とした場合における耐圧の考え方を示した模式図である。この図は、ｎ型領域２ｂとｐ型領域３の不純物濃度が等しくなっている場合を想定して表してある。

図６（ａ）に示すように、スーパージャンクション構造の１カラム分を抽出した断面図として表した場合、角度θに起因して、ｎ型領域２ｂおよびｐ型領域３の上層部ではｐ型領域３の幅Ｗｐがｎ型領域２ｂの幅Ｗｎよりも広い。このため、ｐ型不純物の電荷量が多い領域となる。逆に、ｎ型領域２ｂおよびｐ型領域３の下層部ではｎ型領域２ｂの幅Ｗｎがｐ型領域３の幅Ｗｐよりも広いため、ｎ型不純物の電荷量が多い領域となる。このため、図６（ｂ）に示すように、角度θが９０度未満とされた場合のスーパージャンクション構造は、上層がｐリッチ、中央が０（ｐｎがバランス）、下層がｎリッチの状態と見做すことができる。そして、図６（ｃ）に示すように余剰濃度ｉは、上層部では＋（プラス）で深くなるに連れて０となり、下層部では−（マイナス）となるように、一定割合で変化する。

そして、このように変化する場合において、余剰濃度ｉを電界強度に置き換えると、電界強度は図６（ｄ）のように示される。すなわち、深さをｚ、電界強度をＥ、電荷をｑ、誘電率をεとした場合に、ポアソンの式より、単位深さｄｚ当りの電界強度変化ｄＥについて次式を導出することができる。

（数１５） ｄＥ／ｄｚ＝ｑｉ／ε
この式より、図６（ｄ）に示すように、電界強度分布を表すことができる。ここで、図６（ｄ）に示したように、電界強度分布は、破壊電界強度を頂点とする放物線を描き、その放物線の頂点はスーパージャンクション構造の深さ方向中央位置となる。この放物線の広がり方（放物線の形状）は、ｄＥ／ｄｚによって決まり、数式１５中の余剰濃度ｉによってｄＥ／ｄｚが変わることから、電界強度は余剰濃度ｉの値、つまり角度θによって決まることになる。

また、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐの大小関係に対応する電界強度分布について考えてみる。図７（ａ）は、角度θを９０度未満とした場合のスーパージャンクション構造の１カラム分を抽出した断面図であり、図７（ｂ）は、その場合の電荷Ｑｎと電荷Ｑｐの大小関係に対応する電界強度分布を示した図である。

図７（ａ）に示されるように、ｎ型領域２ｂの幅Ｗｎおよびｐ型領域３の幅Ｗｐが深さ方向において変化し、幅Ｗｎについては深くなるほど広くなり、幅Ｗｐについては深くなるほど狭くなる。そして、深さ方向中央位置（幅Ｗｎと幅Ｗｐが等しくなる場所）での電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係に応じて、最大電界強度となる深さが変わり、電界強度分布が図７（ｂ）のように表されることになる。

そして、耐圧は、この電界強度分布によって囲まれた領域の面積によって決まる。深さ方向中央位置においてチャージバランスが取れていて電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとが等しい場合には、電界強度分布の頂点がスーパージャンクション構造の深さ方向中央に位置しているため、電界強度分布によって囲まれる領域の面積が最も大きくなって耐圧が最大となる。これに対して、深さ方向中央位置においてチャージバランスが取れておらず電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとが等しくない場合には、電界強度分布の頂点がスーパージャンクション構造の厚み方向中央からずれる。このため、その分、電界強度分布によって囲まれる領域の面積が小さくなり、耐圧が低下する。

これを角度θを変化させて調べたところ、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係に対応する耐圧の関係は、図８のように表される。すなわち、電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係によって耐圧が変化するが、それに加えて、角度θに応じて電荷Ｑｎと電荷Ｑｐとの大小関係に対応する耐圧の関係が変化していることが判る。このため、角度θの設定により、チャージアンバランスのマージンとして見込める範囲が変化することが理解できる。そして、角度θは、余剰濃度ｉの勾配（以下、余剰濃度勾配という）と相関があることから、余剰濃度勾配より求めることができる。

この余剰濃度勾配に基づく角度θの求め方について、図９を参照して説明する。図９は、所望の耐圧となる電界強度分布を想定し、そこから角度θを導出するまでのイメージを示した説明図である。

まず、図９（ａ）に示すように、スーパージャンクション構造内での電界強度分布によって囲まれた領域の面積が所望の耐圧になることを想定する。例えば、所望の耐圧として３００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ等、用途に応じた様々な耐圧が想定され、電界強度をスーパージャンクション構造の深さ方向において積分したときの積分値が、その所望の耐圧となる。

そして、所望の耐圧を演算する式は、ポアソンの方程式として表すことができることから、その式より、所望の耐圧を得るために要求される余剰濃度勾配ｄｉ／ｄｚを演算することができる。破壊電界強度を０．３ＭＶ／ｃｍとした場合、所望の耐圧と余剰濃度勾配との関係は下式になる。

ｄｉ／ｄｚ＝（７．９４×１０¹¹／Ｖｍａｘ）²÷１００００
ここで、Ｖｍａｘは所望の耐圧にマージンを与えた中心耐圧を示す。このため、上記数式１を満たすことにより、加工バラツキのマージンを減少させることなく所望の耐圧を得ることが可能となり、耐圧歩留の低下を防止することが可能となる。

例えば、所望の耐圧が３００Ｖである場合には、余剰濃度勾配が３．９×１０¹⁴ｃｍ^-2μｍ^-1未満となった。所望の耐圧が６００Ｖである場合には、余剰濃度勾配が１．１×１０¹⁴ｃｍ^-2μｍ^-1未満となった。所望の耐圧が１２００Ｖである場合には、余剰濃度勾配が３．０×１０¹³ｃｍ^-2μｍ^-1未満となった。

そして、所望の耐圧を満たす余剰濃度勾配をｐ型領域３の側面を傾斜させることにより実現していることから、この余剰濃度勾配に対応する角度θを求めることにより、所望の耐圧を得るために必要な角度θを求めることができる。

余剰濃度勾配に対応する角度θについては、まず、余剰濃度勾配と対応するｐ型領域３の側面の傾斜として、図９（ｃ）に示したように、ｐ型領域３の側面の片側のみが傾斜した状態を想定する。そして、それを図９（ｄ）に示したような実際の構造、つまりｐ型領域３の側面の両側が傾斜した状態に置き換えることにより行う。

具体的には、ｐ型領域３の側面の片側のみが傾斜させられているときの傾斜は、単位深さをｄｚとし、単位深さ当りのｐ型領域３の幅ｘの変化量（以下、カラム幅変化量という）をｄｘ／ｄｚとして表される。これを実際の構造に置き換える場合、カラム幅変化量が両側面の傾斜によって実現されることから、一方の側面の傾斜は、カラム幅変化量ｄｘ／ｄｚを１／２倍すればよい。この側面の傾斜が角度θに対応していることから、次式を導出することができる。

この式を角度θについて解くと、次式が導出される。これにより、角度θをカラム幅変化量ｄｘ／ｄｚの式として表すことができる。

そして、余剰濃度勾配ｄｉ／ｄｚをカラム幅変化量ｄｘ／ｄｚに変換することにより、角度θを余剰濃度勾配ｄｉ／ｄｚで表した式とすることが可能となる。この余剰濃度勾配ｄｉ／ｄｚからのカラム幅変化量ｄｘ／ｄｚへの変換の仕方は、次のように行うことができる。

まず、単位深さΔｚに対して、余剰濃度ｉがΔｉだけ変化し、ｎ型領域２ｂの幅はΔｘだけ増加し、ｐ型領域３の幅はΔｘだけ減少するとする。この場合、Δｉは、ｐ型領域３の電荷Ｑｐとｎ型領域２ｂの電荷Ｑｎの差として表されることから、次式が成り立つ。

（数１８） −Δｉ＝｛Ｎｐ×（Ｗｐ−Δｘ）−Ｎｎ×（Ｗｎ＋Δｘ）｝／Ｗ
ここで、右辺の第一項であるＮｐ×（Ｗｐ−Δｘ）は、ｐ型領域３の幅がＷｐとなる深さから単位深さ深い位置での電荷Ｑｐを演算したものである。また、第二項であるＮｎ×（Ｗｎ＋Δｘ）は、ｎ型領域２ｂの幅がＷｎとなる深さから単位深さ深い位置での電荷Ｑｎを演算したものである。

そして、耐圧が最大となる中心耐圧では、チャージバランスが取れていることから、ｐ型領域３の電荷Ｑｐとｎ型領域２ｂの電荷Ｑｎとが等しくなり、Ｑｐ＝Ｑｎが成り立つ。このため、次式が得られる。

（数１９） Ｎｎ×Ｗｎ＝Ｎｐ×Ｗｐ
そして、カラムピッチＷからｎ型領域２ｂの幅Ｗｎを引いた値がｐ型領域３の幅Ｗｐ（＝Ｗ−Ｗｎ）であることから、これを数式１９に代入すると、数式２０が導出され、これをｐ型領域３の不純物濃度Ｎｐの式に変換すると、数式２１が導出される。

（数２０） Ｎｎ×Ｗｎ＝Ｎｐ×（Ｗ−Ｗｎ）
（数２１） Ｎｐ＝ＮｎＷｎ／（Ｗ−Ｗｎ）
そして、数式１７および数式１９を数式１６に代入すると、次式を導出することができる。

さらに、この式をΔｘについて解くと、次式を導出することができ、そこから、ｄｘ／ｄｚの式を導出することができる。

このようにして、カラムピッチＷ、ｎ型領域２ｂの幅Ｗｎ、不純物濃度Ｎｎと余剰濃度勾配ｄｉ／ｄｚによってカラム幅変化量ｄｘ／ｄｚを表すことができる。そして、数式２３の右辺を上述した数式１７にカラム幅変化量ｄｘ／ｄｚに置換することで、角度θを演算することが可能となる。例えば、耐圧を６００Ｖに設計する場合、数式２４を満たす角度θは８８．８度以上かつ９０度未満となる。

以上説明したように、スーパージャンクション構造においてｐ型領域３の側面を深さ方向に対して傾斜させてテーパ角を設ける場合において、ｐ型領域３の側面と基板水平方向との成す角度θが次式を満たすように設定する。

このような角度θに設定することで、加工バラツキのマージンを減少させることなく所望の耐圧を得ることが可能となり、耐圧歩留の低下を防止することが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、ｎ型ドリフト層２に対してトレンチ２ａを形成し、このトレンチ２ａ内にｐ型領域３を埋め込むことでスーパージャンクション構造を構成したが、トレンチ２ａを形成することなくスーパージャンクション構造を構成することもできる。具体的には、図１０に示すようにｎ⁺型基板１の主表面１ａ上に、ｎ型ドリフト層２の全厚みのうちの一部をエピタキシャル成長させたのち、ｐ型領域３の形成予定位置においてｐ型不純物をイオン注入する。そして、さらにｎ型ドリフト層２の全厚みのうちの一部をエピタキシャル成長させたのち、ｐ型領域３の形成予定位置においてｐ型不純物をイオン注入する。このとき、カラムの繰り返し方向と同方向におけるイオン注入の幅を先ほどのイオン注入のときよりも若干広くする。この後も、ｎ型ドリフト層２の全厚みの一部のエピタキシャル成長工程とｐ型領域３を形成するためのｐ型不純物のイオン注入工程を繰り返し、熱処理を施すことで、ｎ型ドリフト層２を所望の厚みにすると共にイオン注入位置にｐ型領域３が形成された状態とする。これにより、ｐ型領域３の形成深さが深くてもイオン注入によって形成することができる。このように、ｎ型ドリフト層２に形成したトレンチ２ａ内を埋め込むことでｐ型領域３を形成するのではなく、ｎ型ドリフト層２に対してｐ型不純物をイオン注入することによっても、ｐ型領域３を形成することができる。

また、上記実施形態では、トレンチ２ａの側面、つまり隣り合うｎ型領域２ｂとｐ型領域３の境界面が深さ方向に対して傾斜させられたテーパ角を有したスーパージャンクション構造として、当該境界面が平面となる場合を例に挙げた。つまり、上記実施形態では、当該境界面が図１に示す断面において直線状となるようにした。しかしながら、必ずしも直線状である必要はない。

例えば、ｎ型領域２ｂとｐ型領域３との境界面が平面となる場合と比較して、当該境界面が、図１１（ａ）に示すようなｐ型領域３の幅が深さ方向中央部において広がる曲面であっても良い。また、当該境界面が、図１１（ｂ）に示すようなｐ型領域３の幅が深さ方向中央部において狭まる曲面であっても良い。これらの場合、角度θ（＝テーパ角）については、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、ｐ型領域３の最下部と最上部、つまり最も幅狭な位置と最も幅広な位置の両角部を結んだ線と基板水平方向との成す角度と見做せば良い。ｐ型領域３の形状が図１１（ａ）、（ｂ）のようになる場合の余剰濃度ｉの変化については、それぞれ、図１２（ａ）、（ｂ）のように表される。この場合、深さ方向において余剰濃度の変化量が一定にならないが、スーパージャンクション構造の全深さｚ１〜ｚ２で全余剰濃度の変化量ｉ１−ｉ２を割った値、つまり全深さでの余剰濃度勾配平均値（（ｉ１−ｉ２）／（ｚ２−ｚ１））をｄｉ／ｄｚと見做せる。このスーパージャンクション構造の全深さでの余剰濃度勾配平均値で表されるｄｉ／ｄｚが上記数式１を満たすようにすることで、加工バラツキのマージンを減少させることなく所望の耐圧を得ることが可能となり、耐圧歩留の低下を防止することが可能となる。

なお、図１０に示したイオン注入によってｐ型領域３を形成する場合には、ｐ型領域３のうちの最下部と最上部ではなく、次のように角度θを定義することができる。すなわち、角度θを、図１３に示すように複数段に分けて行われたイオン注入領域のうちの最下段で最も幅広の位置と最上部で最も幅広の位置を結んだ線と基板水平方向との成す角度と見做せば良い。

また、上記実施形態では、ｐ型領域３の深さがｎ型ドリフト層２の厚みよりも小さくなるようにしている。つまり、ｐ型領域３の最下部がｎ型ドリフト層２の最下部まで到達せず、ｐ型領域３の下方にｎ型ドリフト層２が介在した状態としている。これに対して、ｐ型領域３の深さをｎ型ドリフト層２の厚みと等しくし、ｐ型領域３がｎ型ドリフト層２の下方に残らない構造とすることもできる。ただし、ｐ型領域３の下方にｎ型ドリフト層２が残らない構造だと、カラム下部、つまりスーパージャンクション構造の下部において電界が高くなり、中心耐圧が低下してしまう。したがって、上記実施形態のように、ｐ型領域３の下方にｎ型ドリフト層２が残された状態にすることで、スーパージャンクション構造の下部において電界が高くなることを抑制でき、中心耐圧の低下を抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とするｎチャネルタイプのＭＯＳトランジスタについて説明したが、素子を構成する各構成要素の導電型を反転させたｐチャネルタイプのＭＯＳトランジスタに対しても、本発明を適用することができる。また、ＭＯＳトランジスタに限らず、ＩＧＢＴに対しても本発明を適用することができ、上記各実施形態と同様の構造を適用することができる。この場合、ｎ⁺型基板に代えてｐ⁺型基板を用いたりすれば良い。また、縦型半導体素子として、ＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ以外のもの、例えばダイオードに対しても本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、トレンチゲート構造の長手方向とスーパージャンクション構造の長手方向とを同方向とした場合について説明したが、これらが交差する方向にレイアウトされていても構わない。

また、上記実施形態では、ゲート構造として、トレンチ７内におけるｎ型ドリフト層２の表面にゲート絶縁膜８およびゲート電極９を形成するトレンチゲート構造を例に挙げた。しかしながら、これも一例を示したのであり、トレンチ７を設けることなく、ｎ型ドリフト層２の表面にゲート絶縁膜８およびゲート電極９を形成するプレーナ型のゲート構造の半導体装置についても、本発明を適用することができる。

また、ｐカラムの側面にテーパ角を設ける構造とするスーパージャンクション構造を備えた半導体装置を例に挙げたが、テーパ角を設ける構造に限らず、ｎカラムとｐカラムの濃度関係について、余剰濃度勾配ｉが上記した数式１を満たすように設定されていれば良い。

さらに、上記実施形態では、半導体材料としてシリコンを用いる場合について説明したが、他の半導体材料、例えば炭化珪素や化合物半導体などを適用した半導体装置の製造に用いられる半導体基板についても、本発明を適用することができる。

１ ｎ⁺型基板
２ ｎ型ドリフト層
２ｂ ｎ型領域
３ ｐ型領域
４ ｐ型ベース領域
５ ｎ⁺型不純物領域
６ ｐ⁺型コンタクト領域
７ トレンチ
８ ゲート絶縁膜
９ ゲート電極
１２ 表面電極
１３ 裏面電極
２０ 余剰濃度層

Claims (7)

1. 主表面（１ａ）および裏面（１ｂ）を有する第１導電型または第２導電型の半導体基板（１）と、
   前記半導体基板（１）の前記主表面（１ａ）側に形成された第１導電型のドリフト層（２）と、前記ドリフト層（２）に対して一方向を長手方向として複数本がストライプ状に形成された第２導電型領域（３）とを有し、前記ドリフト層（２）のうち前記第２導電型領域（３）の間に残された部分による第１導電型領域（２ｂ）と前記第２導電型領域（３）とが交互に繰り返し並べられることによりスーパージャンクション構造が構成されていると共に、
   前記半導体基板（１）の表面側に形成された表面電極（１２）と裏面側に形成された裏面電極（１３）との間に電流を流す縦型半導体素子を備えた半導体装置であって、
   前記第１導電型領域（２ｂ）および前記第２導電型領域（３）のピッチであるカラムピッチをＷ、前記第１導電型領域（２ｂ）の幅をＷｎ、前記第１導電型領域の不純物濃度をＮｎ、前記第２導電型領域（３）内の電荷Ｑｐと前記第１導電型領域（２ｂ）内の電荷Ｑｎとの差を前記カラムピッチＷにて割った値である余剰濃度をｉ、前記スーパージャンクション構造の深さをｚとし、単位深さｄｚ当りの余剰濃度ｉの変化量である余剰濃度勾配をｄｉ／ｄｚ、所望の耐圧にマージンを与えた中心耐圧Ｖｍａｘとすると、前記余剰濃度勾配ｄｉ／ｄｚが、
   

   

   を満たす値に設定されていることを特徴とする縦型半導体素子を備えた半導体装置。
2. 前記第２導電型領域（３）の深さが前記ドリフト層（２）の厚みよりも小さくされ、前記第２導電型領域（３）の下方に前記ドリフト層（２）が介在していることを特徴とする請求項１に記載の縦型半導体素子を備えた半導体装置。
3. 前記第２導電型領域（３）の両側面が基板水平方向に対して成す角度θは、
   

   

   を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の縦型半導体素子を備えた半導体装置。
4. 前記縦型半導体素子は耐圧３００Ｖ以上に設定され、前記余剰濃度勾配が３．９×１０¹⁴ｃｍ^-2μｍ^-1未満に設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の縦型半導体素子を備えた半導体装置。
5. 前記縦型半導体素子は耐圧６００Ｖ以上に設定され、前記余剰濃度勾配が１．１×１０¹⁴ｃｍ^-2μｍ^-1未満に設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の縦型半導体素子を備えた半導体装置。
6. 前記縦型半導体素子は耐圧１２００Ｖ以上に設定され、前記余剰濃度勾配が３．０×１０¹³ｃｍ^-2μｍ^-1未満に設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の縦型半導体素子を備えた半導体装置。
7. 前記縦型半導体素子は、
   前記スーパージャンクション構造の上に第２導電型のベース領域（４）と、前記ベース領域（４）の表層部に形成され、前記ドリフト層（２）よりも高不純物濃度とされた第１導電型の第１不純物領域（５）と、前記ドリフト層（２）の表面に形成されたゲート絶縁膜（８）と、前記ゲート絶縁膜（８）の表面に形成されたゲート電極（９）とを有するゲート構造が構成され、
   前記ベース領域（４）の表層部のうち前記第１不純物領域（５）を挟んで前記ゲート構造と反対側に形成され、前記ベース領域（４）よりも高不純物濃度とされた第２導電型のコンタクト領域（６）とを有し、
   前記表面電極（１２）が、前記第１不純物領域（５）および前記コンタクト領域（６）に電気的に接続されていると共に、前記裏面電極（１３）が、前記半導体基板（１）に電気的に接続され、
   前記ゲート電極（９）への電圧印加に基づいて前記表面電極（１２）と前記裏面電極（１３）との間に電流を流す縦型半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の縦型半導体素子を備えた半導体装置。

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