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JP2023173412A - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易に形成可能でかつ所定耐圧を安定して確保可能な信頼性の高い炭化珪素半導体装置を提供すること。【解決手段】p型外周領域は、活性領域1の外周部1bにおいて半導体基板40のおもて面側から順に第1~4外周領域15a,13a,28,27を配置してなり、外側端部に深さ方向に半導体基板40のおもて面から離れるほど段階的に内側に凹んだ2μm以上の同じ幅w1,w2,w3の複数段の段差を有する。第1,2,4外周領域15a,13a,27は、それぞれ活性領域1の中央部1aのp++型コンタクト領域15d、p型ベース領域13およびp+型領域22の下部23と同時に形成される。第3外周領域28の不純物濃度は、活性領域1の中央部1aのp+型領域22の上部24の不純物濃度よりも低く、p+型領域22の上部24の不純物濃度の0.1倍以上0.5倍以下である。耐圧構造30は、第1外周領域15aの外側端部に接する。【選択図】図2

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置に関する。
従来、炭化珪素(SiC)を半導体材料とした炭化珪素半導体装置では、活性領域の外周部に、エッジ終端領域の耐圧構造を構成するp型領域と半導体基板のおもて面上の表(ひょう)面電極とを電気的に接続するp型外周領域が設けられている。p型外周領域は、活性領域の素子構造を構成するp型ベース領域やp++型コンタクト領域等のp型領域を活性領域とエッジ終端領域との境界付近まで延在させてなり、これら不純物濃度の異なる複数のp型領域を深さ方向に隣接して配置した構造となっている。
図5は、従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図5に示す従来の炭化珪素半導体装置110は、炭化珪素からなる半導体基板(半導体チップ)140のエッジ終端領域102に、耐圧構造130を備えたトレンチゲート構造の縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属-酸化膜-半導体の3層構造からなる絶縁ゲート(MOSゲート)を備えたMOS型電界効果トランジスタ)である。
半導体基板140は、炭化珪素からなるn+型出発基板141のおもて面上にn-型ドリフト領域112となるn-型炭化珪素層142をエピタキシャル成長させてなる。半導体基板140は、n-型炭化珪素層142側の主面をおもて面とし、n+型出発基板141側の主面を裏面とする。半導体基板140のおもて面は全域にわたって平坦面であり、活性領域101とエッジ終端領域102との間に段差は生じていない。半導体基板140のおもて面は、エッジ終端領域102の全域が絶縁層119で覆われている。
半導体基板140の裏面(n+型出発基板141の裏面)の全域に、ドレイン電極145が設けられている。n+型出発基板141は、n+型ドレイン領域111である。活性領域101は、半導体基板140の中央(チップ中央)に配置される。活性領域101と半導体基板140の端部(チップ端部)との間がエッジ終端領域102である。活性領域101の中央部(不図示)には、MOSFETの同一構造(トレンチゲート構造)の複数の単位セルが隣接して設けられている。
活性領域101の外周部101bにおいて半導体基板140のおもて面とn-型ドリフト領域112との間の全域に、半導体基板140のおもて面側から順に深さ方向に隣接して、p++型の第1外周領域115a、p型の第2外周領域113aおよびp+型領域122a(後述する第3,4外周領域124a,123a)が設けられている。これらの領域で、活性領域101の外周部101bにおいて半導体基板140のおもて面とn-型ドリフト領域112との間の全域に1つのp型外周領域125が構成されている。
第1,2外周領域115a,113aは、それぞれ活性領域101の中央部のトレンチゲート構造(不図示)を構成するp++型コンタクト領域115およびp型ベース領域113と同時に形成され、活性領域101の中央部の周囲を囲む。第1,2外周領域115a,113aの外側の各端部ともに、活性領域101とエッジ終端領域102との境界で終端して、半導体基板140のおもて面に垂直な同一面上にある。p+型領域122aは、活性領域101の中央部のp+型領域122と同時に形成される。
+型領域122は、トレンチゲート構造を構成するトレンチ(不図示)の底面よりもn+型ドレイン領域111側(半導体基板140の裏面側)に達し、トレンチ底面のゲート絶縁膜にかかる電界を緩和する機能を有する。p+型領域122は、活性領域101の中央部におけるn-型炭化珪素層142の内部においてp型ベース領域113とn-型ドリフト領域112との間に2段に分けて形成され、深さ方向に上部(半導体基板140のおもて面側の部分)と下部(n+型ドレイン領域111側の部分)とが隣接してなる。
+型領域122aは、p+型領域122と同時に2段に分けて形成され、深さ方向に上部(以下、第3外周領域とする)124aと下部(以下、第4外周領域とする)123aとが隣接してなる。第3,4外周領域124a,123aの不純物濃度は、それぞれp+型領域122の上部および下部の不純物濃度と同じである。第3,4外周領域124a,123aの外側の各端部ともに、第2外周領域113aの外側端部よりも内側(チップ中央側)の同じ位置で終端して、半導体基板140のおもて面に垂直な同一面上にある。
エッジ終端領域102には、所定の耐圧構造130が設けられている。耐圧構造130は、例えば接合終端拡張(JTE:Junction Termination Extension)構造を空間変調構造とした空間変調JTE構造である。JTE構造は、複数のp型領域(以下、JTE領域とする)を、内側から外側(チップ端部側)へ離れるほど不純物濃度の低いJTE領域が配置されるように、活性領域の周囲を囲む同心状に隣接して配置した構造である。
耐圧構造130は、半導体基板140のおもて面とn-型ドリフト領域112との間に選択的に設けられた複数のp型領域131および複数のp-型領域132で構成される。すべてのp型領域131およびp-型領域132は、半導体基板140のおもて面に露出され、半導体基板140のおもて面上の絶縁層119に接する。これら複数のp型領域131および複数のp-型領域132は、半導体基板140のおもて面から0.5μm程度の浅い深さd101で形成される。
複数のp型領域131は、活性領域101の周囲を囲む同心状に互いに離れて配置されている。最も内側のp型領域131は、第1外周領域115aの外側に、第1外周領域115aに隣接して配置されている。複数のp-型領域132は、活性領域101の周囲を囲む同心状に互いに離れて配置されている。最も内側のp-型領域132は、互いに隣り合うすべてのp型領域131間に設けられ、半導体基板140のおもて面の面内において内側から外側へ向かう半径方向に両側のp型領域131に隣接する。
最も内側のp-型領域132は、最も外側のp型領域131よりも内側へ延在している。すべてのp型領域131および最も内側のp-型領域132は、第1外周領域115aを介してソース電極(不図示:表面電極)の電位に固定される。最も内側のp-型領域132以外のp-型領域132は、p型領域131よりも外側に配置される。n-型ドリフト領域112は、互いに隣り合うすべてのp-型領域132間に設けられ、互いに隣り合うp-型領域132間において半導体基板140のおもて面に露出される。
従来の炭化珪素半導体装置として、耐圧構造を構成するp型領域を、底部(半導体基板の裏面側端部)が活性領域の主接合(pn接合)の最外周端(以下、主接合端とする)を形成するp型領域の底部と同じ深さ位置になるように、半導体基板のおもて面から離れた深さ位置に配置した装置が提案されている(例えば、下記特許文献1,2参照。)。下記特許文献1では、活性領域の主接合端を形成するp型領域の外側に底部同士の深さ位置を揃えて隣接するJTE構造のp型領域によって、活性領域の主接合端への電界集中を抑制している。
また、下記特許文献1では、活性領域とエッジ終端領域との間に段差を形成せずに半導体基板のおもて面を全域にわたって平坦面とした構造において、活性領域のp型領域とJTE構造を構成するp型領域とを半導体基板のおもて面から同じ深さ位置に形成することで、フォトリソグラフィによる位置合わせ精度を向上させている。下記特許文献2では、耐圧構造を構成するp型領域と活性領域のp型領域とを同じ深さに同時に形成することで、工程数を低減させている。
また、従来の別の炭化珪素半導体装置として、活性領域からエッジ終端領域に延在するp+型の電界緩和領域の外側端部と、エッジ終端領域においてJTE構造を構成するp型領域の外側端部と、を空間変調構造とした装置が提案されている(例えば、下記特許文献3参照。)。下記特許文献3では、p+型の電界緩和領域の外側端部と、JTE構造を構成するp型領域の外側端部と、を空間変調構造とし、かつ外側に向かうにしたがって深さが浅くなるように配置することで、深さ方向にも電界集中を緩和している。
特開2020-202404号公報 特開2021-048423号公報 特開2019-087646号公報
しかしながら、従来の炭化珪素半導体装置110(図5参照)では、第3外周領域124aの不純物濃度と、p型外周領域125を構成する第1外周領域115a、第2外周領域113a、第3外周領域124aおよび第4外周領域123aの外側の各端部位置と、が最適化されていない。このため、p型外周領域125の下部(p+型領域122a)や外側端部(段差部分)にかかる電界が大きくなり、エッジ終端領域102の耐圧が低下する。例えば、活性領域101の耐圧の設計値(標準耐圧)を1600Vとした場合、エッジ終端領域102の耐圧は1180V程度と低くなる(図4参照)。
この発明は、上述した従来技術による課題を解消するため、簡易に形成可能でかつ所定耐圧を安定して確保可能な信頼性の高い炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。半導体基板は、炭化珪素からなり、全面にわたって平坦な第1主面を有する。前記半導体基板に、活性領域および終端領域が設けられている。前記終端領域は、前記活性領域の周囲を囲む。前記活性領域から前記終端領域にわたって前記半導体基板の内部に、第1導電型の第1半導体領域が設けられている。前記活性領域において前記第1主面と前記第1半導体領域との間に、第2導電型の第2半導体領域が設けられている。前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とのpn接合を含み、前記pn接合を通過する電流が流れる素子構造が設けられている。
前記素子構造と前記終端領域との間において前記第1主面と前記第1半導体領域との間に、第2導電型外周領域が設けられている。前記第2導電型外周領域は、前記活性領域の周囲を囲む。前記終端領域において前記第1主面と前記第1半導体領域との間に、前記活性領域の周囲を囲む同心状に互いに離れて、複数の第2導電型耐圧領域が設けられている。耐圧構造は、複数の前記第2導電型耐圧領域で構成されている。第1電極は、前記第1主面に設けられ、前記第2半導体領域および前記第2導電型外周領域に電気的に接続されている。第2電極は、前記半導体基板の第2主面に設けられ、前記第1半導体領域に電気的に接続されている。
前記素子構造は、第1導電型の第3半導体領域と、トレンチと、ゲート電極と、第2導電型高濃度領域と、を備える。前記第3半導体領域は、前記第1主面と前記第2半導体領域との間に選択的に設けられ、前記第1電極に電気的に接続されている。前記トレンチは、前記第3半導体領域および前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に達する。前記ゲート電極は、前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられている。前記第2導電型高濃度領域は、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間において、前記トレンチの底面よりも前記第2主面側に選択的に設けられている。前記第2導電型高濃度領域は、前記第2半導体領域よりも不純物濃度が高い。
前記第2導電型外周領域は、外側端部に深さ方向に前記第1主面から離れるほど段階的に内側に凹んだ同じ幅の複数段の段差を有し、当該段差に応じて前記第1主面から離れるほど内側で終端する複数の外周領域で構成されている。複数の前記外周領域は、第1~4外周領域を有する。前記第1外周領域は、最も前記第1主面側において、前記耐圧構造の内側端部に接する。前記第2外周領域は、前記第2半導体領域の前記素子構造よりも外側の部分であり、前記第1外周領域の前記第2主面側に隣接する。前記第3外周領域は、前記第2外周領域の前記第2主面側に隣接する。前記第4外周領域は、前記第3外周領域の前記第2主面側に隣接し、下面が前記第2導電型高濃度領域の下面と同じ深さである。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、前記第3外周領域の不純物濃度は、前記第2導電型高濃度領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、前記第3外周領域の不純物濃度は、前記第2導電型高濃度領域の不純物濃度の0.1倍以上0.5倍以下の範囲内であることを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、前記第4外周領域の不純物濃度は、前記第2導電型高濃度領域の不純物濃度と等しいことを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記第2導電型外周領域の外側端部の前記段差の前記幅は、1μm以上4μm以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記第2導電型高濃度領域は、第1の第2導電型高濃度領域と、第2の第2導電型高濃度領域と、を有する。前記第1の第2導電型高濃度領域は、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に選択的に設けられ、前記トレンチの底面に対向する。前記第1の第2導電型高濃度領域は、前記第2半導体領域よりも不純物濃度が高い。前記第2の第2導電型高濃度領域は、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に、前記トレンチおよび前記第1の第2導電型高濃度領域と離れて、かつ前記第2半導体領域に接して選択的に設けられている。
前記第2の第2導電型高濃度領域は、前記トレンチの底面よりも前記第2主面側に達する。前記第2の第2導電型高濃度領域は、前記第2半導体領域よりも不純物濃度が高い。前記第3外周領域は、上面が前記第2の第2導電型高濃度領域の上面と同じ深さ位置にあり、前記第2の第2導電型高濃度領域の前記第1主面側の部分よりも不純物濃度が低い。前記第4外周領域は、下面が前記第2の第2導電型高濃度領域の下面と同じ深さ位置にあり、前記第2の第2導電型高濃度領域の前記第2主面側の部分と不純物濃度が等しいことを特徴とする。
上述した発明によれば、第3外周領域の不純物濃度と、第1~4外周領域の外側の各端部位置と、が最適化され、第2導電型外周領域にかかる電界を緩和することができる。これによって、活性領域の主接合端(第2導電型外周領域の底部の外側コーナー部)への局所的な電界集中を抑制することができ、活性領域の主接合端でのアバランシェ降伏耐量が向上するため、終端領域の耐圧低下を抑制することができる。
また、上述した発明によれば、イオン注入用マスクパターンを適宜変更することで、活性領域の素子構造の形成方法を変えることなく、第2導電型外周領域の外側端部に段差を形成することができる。また、活性領域の各部と異なるタイミングで第3外周領域を形成することで、活性領域の素子構造の形成方法を変えることなく、第3外周領域の不純物濃度を適宜設定することができる。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置によれば、簡易に形成可能でかつ所定耐圧を安定して確保可能な信頼性の高い炭化珪素半導体装置を提供することができるという効果を奏する。
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。 図1の切断線A1-A2における断面構造を示す断面図である。 図1の切断線A2-A3における断面構造を示す断面図である。 実験例の耐圧特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。 従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(実施の形態)
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。図2,3は、それぞれ図1の切断線A1-A2および切断線A2-A3における断面構造を示す断面図である。図1~3に示す実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10は、炭化珪素(SiC)からなる半導体基板(半導体チップ)40のエッジ終端領域2に、耐圧構造30を備えたトレンチゲート構造の縦型MOSFETである。
半導体基板40には、活性領域1の中央部1aに、MOSFETの同一構造(素子構造)の複数の単位セル(素子の機能単位)が隣接して配置されている。活性領域1は、MOSFETのオン時に主電流(ドリフト電流)が流れる領域である。活性領域1は、略矩形状の平面形状を有し、半導体基板40の略中央(チップ中央)に配置される。活性領域1は、後述する最も外側(半導体基板40の端部(チップ端部)側)のp++型コンタクト領域15aの外側端部から内側(チップ中央側)の部分である。
エッジ終端領域2は、活性領域1とチップ端部との間の領域であり、活性領域1の周囲を略矩形状に囲む。エッジ終端領域2には、所定の耐圧構造30が設けられている。耐圧構造30は、活性領域1とエッジ終端領域2との境界付近の電界を緩和して耐圧を保持する機能を有する。耐圧構造30の構成については後述する。耐圧とは、pn接合でアバランシェ降伏が起きたことでドレイン・ソース間電流が増加してもそれ以上ドレイン・ソース間電圧が増加しない限界の電圧である。
半導体基板40は、炭化珪素からなるn+型出発基板41のおもて面上にn-型炭化珪素層42をエピタキシャル成長させてなる。半導体基板40は、n-型炭化珪素層42側の主面をおもて面(第1主面)とし、n+型出発基板41側の主面を裏面(第2主面)とする。半導体基板40のおもて面は全域にわたって略平坦面であり、活性領域1とエッジ終端領域2との間に段差は生じていない。略平坦とは、プロセスばらつきによる許容誤差を含む範囲で水平面であることを意味する。
+型出発基板41はn+型ドレイン領域11である。n-型炭化珪素層42は、活性領域1の各部を形成する際に、n-型ドリフト領域(第1半導体領域)12となるn-型炭化珪素層42a,42b,42cを順に多段にエピタキシャル成長されてなる。n-型ドリフト領域12は、n-型炭化珪素層42の、イオン注入による拡散領域が形成されずにエピタキシャル成長時の不純物濃度のまま残る部分である。n-型ドリフト領域12は、n+型出発基板41に接し、活性領域1からチップ端部にわたって設けられている。
トレンチゲート構造は、p型ベース領域(第2半導体領域)13、n+型ソース領域(第3半導体領域)14、p++型コンタクト領域15、トレンチ16、ゲート絶縁膜17およびゲート電極18で構成される。p型ベース領域13、n+型ソース領域14およびp++型コンタクト領域15は、最上層のn-型炭化珪素層42cの内部にイオン注入により形成された拡散領域である。p型ベース領域13は、活性領域1の中央部1aにおいて半導体基板40のおもて面とn-型ドリフト領域12との間の全域に設けられている。
p型ベース領域13は、外側へ延在して、活性領域1の外周部1b内で終端している。p型ベース領域13の、活性領域1の外周部1bに延在する部分(以下、第2外周領域とする)13aは、後述するp型外周領域25を構成する。n+型ソース領域14およびp++型コンタクト領域15は、活性領域1において半導体基板40のおもて面とp型ベース領域13との間にそれぞれ選択的に設けられ、底部(下面:半導体基板40の裏面側端部)でp型ベース領域13に接する。
+型ソース領域14は、活性領域1の中央部1aにおいて互いに隣り合うトレンチ16間にのみ設けられている。活性領域1の中央部1aのp++型コンタクト領域15d(15)は、互いに隣り合うトレンチ16間においてn+型ソース領域14よりもトレンチ16から離れた位置に、n+型ソース領域14に接して設けられている。n+型ソース領域14およびp++型コンタクト領域15dは、半導体基板40のおもて面で後述するオーミック電極43にオーミック接触する。
活性領域1の外周部1bのp++型コンタクト領域15c(15),15a(15)は、それぞれ半導体基板40のおもて面と第2外周領域13aとの間に選択的に設けられ、活性領域1の中央部1aの周囲を同心状に囲む。活性領域1の外周部1bのp++型コンタクト領域15c,15aは、活性領域1の中央部1aのp++型コンタクト領域15dと同時に形成されて略同じ不純物濃度を有する。p++型コンタクト領域15d,15c,15aの各底部は、半導体基板40のおもて面からの略同じ深さ位置にある。
略同じ不純物濃度および略同じ深さ位置とは、それぞれ、プロセスばらつきによる許容誤差を含む範囲で同じ不純物濃度および同じ深さ位置であることを意味する。オーミック電極43とp型ベース領域13との間のp++型コンタクト領域15c,15dは設けられなくてもよい。p++型コンタクト領域15c,15dを設けない場合、p++型コンタクト領域15c,15dに代えて、p型ベース領域13が半導体基板40のおもて面まで達して、オーミック電極43に接する。
活性領域1の外周部1bの最も内側のp++型コンタクト領域15cは、半導体基板40のおもて面の面内において内側から外側へ向かう半径方向に外側にトレンチ16と離れて設けられ、半導体基板40のおもて面で後述するオーミック電極43にオーミック接触する。活性領域1の外周部1bの最も内側のp++型コンタクト領域15cは、深さ方向に後述するn型電流拡散領域20に対向する。活性領域1の外周部1bの最も内側のp++型コンタクト領域15cは、深さ方向に後述するp+型領域26の内側端部に対向してもよい。
活性領域1の外周部1bの最も外側のp++型コンタクト領域15aは、内側のp++型コンタクト領域15cと離れて設けられている。活性領域1の外周部1bの最も外側のp++型コンタクト領域15aは、p型ベース領域13(すなわち第2外周領域13a)よりも外側へ延在して、活性領域1とエッジ終端領域2との境界で終端している。活性領域1の外周部1bの最も外側のp++型コンタクト領域(以下、第1外周領域とする)15aは、後述するp型外周領域25を構成する。
活性領域1の中央部1aにおいてn-型ドリフト領域12とp型ベース領域13との間には、トレンチ16の底面よりもn+型ドレイン領域11側(半導体基板40の裏面側)に深い位置に、n型電流拡散領域20およびp+型領域(第2導電型高濃度領域(第1,2の第2導電型高濃度領域))21,22がそれぞれ選択的に設けられている。n型電流拡散領域20およびp+型領域21,22は、n-型炭化珪素層42a,42bの内部にイオン注入により形成された拡散領域である。
n型電流拡散領域20は、キャリアの広がり抵抗を低減させる、いわゆる電流拡散層(CSL:Current Spreading Layer)である。n型電流拡散領域20は、互いに隣り合うp+型領域21,22間においてこれらの領域に接し、かつ半導体基板40のおもて面に平行な方向にトレンチ16まで達して、ゲート絶縁膜17に接する。n型電流拡散領域20は、上面でp型ベース領域13に接し、底部でn-型ドリフト領域12に接する。n型電流拡散領域20は、p+型領域21,22よりもn+型ドレイン領域11側に深い位置に達することがよい。
n型電流拡散領域20は、活性領域1の中央部1aから外側へ延在して活性領域1の外周部1b内で終端し、後述するp+型領域26の内側端部を囲む。n型電流拡散領域20は設けられていなくてもよい。n型電流拡散領域20を設けない場合、n型電流拡散領域20に代えて、n-型ドリフト領域12が互いに隣り合うp+型領域21,22間をp型ベース領域13まで達してp型ベース領域13およびp+型領域21,22に接し、かつ半導体基板40のおもて面に平行な方向にトレンチ16まで達して、ゲート絶縁膜17に接する。
+型領域21,22は、後述するソース電極44の電位に固定されており、MOSFET(炭化珪素半導体装置10)のオフ時に空乏化して(もしくはn型電流拡散領域20を空乏化させて、またはその両方)、ゲート絶縁膜17にかかる電界を緩和させる機能を有する。p+型領域21は、p型ベース領域13と離れて設けられ、深さ方向にトレンチ16の底面に対向する。p+型領域21は、図示省略する部分でp+型領域22に部分的に連結されることで、ソース電極44に電気的に接続されている。
+型領域21は、トレンチ16の底面でゲート絶縁膜17に接してもよいし、トレンチ16の底面から離れていてもよい。p+型領域21の幅は、トレンチ16の幅と同じか、またはトレンチ16の幅よりも広い。p+型領域21の幅をトレンチ16の幅よりも広くすることで、p+型領域21が深さ方向にトレンチ16の底面コーナー部(側壁と底面との境界)にも対向する。これによって、p+型領域21によるトレンチ16の底面付近の電界緩和効果がさらに高くなる。
+型領域22は、互いに隣り合うトレンチ16間に、p+型領域21およびトレンチ16と離れて設けられている。p+型領域22は、上面でp型ベース領域13に接する。p+型領域22は、深さ方向に、n-型炭化珪素層42bの内部に形成される上部(n+型ソース領域14側の部分)24と、n-型炭化珪素層42aの内部に形成される下部(n+型ドレイン領域11側の部分)23と、が隣接してなる。p+型領域22の上部24の不純物濃度は、p+型領域22の下部23の不純物濃度以上である。
トレンチ16は、深さ方向にn+型ソース領域14およびp型ベース領域13を貫通してn型電流拡散領域20(n型電流拡散領域20を設けない場合はn-型ドリフト領域12)に達する。トレンチ16は、p+型領域21の内部で終端していてもよい。トレンチ16は、例えば、半導体基板40のおもて面に平行な方向にストライプ状に延在して、活性領域1の外周部1bに達する。トレンチ16の内部には、ゲート絶縁膜17を介してゲート電極18が設けられている。
活性領域1の外周部1bは、活性領域1の中央部1aの周囲を略矩形状に囲む。トレンチ16の長手方向において、活性領域1の外周部1bとは、n+型ソース領域14の最も外側の端部から、活性領域1とエッジ終端領域2との境界までの部分である。トレンチ16の短手方向において、活性領域1の外周部1bとは、最も外側のトレンチ16の外側の側壁から、活性領域1とエッジ終端領域2との境界までの部分である。活性領域1の外周部1bには、MOSFETの単位セルは設けられていない。
活性領域1の外周部1bには、半導体基板40のおもて面とn-型ドリフト領域12との間の全域に、半導体基板40のおもて面側から順に深さ方向に隣接して、上述した第1外周領域(最も外側のp++型コンタクト領域)15a、上述した第2外周領域(p型ベース領域13の延在部)13aおよびp+型領域26が設けられている。これらの領域で、活性領域1の外周部1bにおいて半導体基板40のおもて面とn-型ドリフト領域12との間の全域に1つのp型外周領域(第2導電型外周領域)25が構成される。
p型外周領域25は、MOSFET(炭化珪素半導体装置10)のオフ時にエッジ終端領域2のn-型ドリフト領域12で発生して活性領域1へ向かって流れるホール(正孔)電流をソース電極44へ引き抜くための領域であり、ソース電極44に電気的に接続されている。MOSFETのオフ時にエッジ終端領域2のn-型ドリフト領域12で発生したホール電流がp型外周領域25を介してソース電極44へ引き抜かれることで、エッジ終端領域2でのアバランシェ降伏時の正孔電流集中が抑制される。
また、p型外周領域25は、活性領域1の外周部1bにおける半導体基板40のおもて面の面内での電界を均一にする機能を有する。第1,2外周領域15a,13aは、それぞれ、活性領域1の中央部1aのp++型コンタクト領域15dおよびp型ベース領域13と同時に形成された領域であり、活性領域1の中央部1aの周囲を囲む。第1外周領域15aは、半導体基板40のおもて面に露出され、半導体基板40のおもて面上の絶縁層(フィールド酸化膜51および層間絶縁膜19をこの順に積層した絶縁層)に接する。
第2外周領域13aは、第1外周領域15aとn-型ドリフト領域12との間に設けられ、第1外周領域15aのn+型ドレイン領域11側に隣接する。p+型領域26は、第2外周領域13aとn-型ドリフト領域12との間に、これらの領域に接して設けられている。p+型領域26は、半径方向に外側にトレンチ16と離れて設けられ、活性領域1の中央部1aの周囲を囲む。p+型領域26には、活性領域1の中央部1aのすべてのp+型領域21,22が連結されている。
+型領域26は、半導体基板40のおもて面からp+型領域22と略同じ深さ位置に、p+型領域22と略同じ厚さで設けられている。すなわち、p+型領域26の上面および下面は、それぞれ、プロセスばらつきによる許容誤差を含む範囲でp+型領域22の上面および下面と同じ深さ位置にある。p+型領域26は、深さ方向に、n-型炭化珪素層42bの内部に形成される上部(以下、第3外周領域とする)28と、n-型炭化珪素層42aの内部に形成される下部(第4外周領域とする)27と、が隣接してなる。第3,4外周領域28,27の内側端部は略同じ位置にある。
第3外周領域28は、p+型領域22の上部24と略同じ深さ位置に略同じ厚さで設けられ、第2外周領域13aのn+型ドレイン領域11側に隣接する。すなわち、第3外周領域28の上面および下面は、それぞれ、プロセスばらつきによる許容誤差を含む範囲でp+型領域22の上部24の上面および下面と同じ深さ位置にある。第3外周領域28の不純物濃度は、p+型領域22の上部24の不純物濃度よりも低い。具体的には、第3外周領域28の不純物濃度は、例えばp+型領域22の上部24の不純物濃度の0.1倍以上0.5倍以下程度の範囲内であることがよく、例えば1×1019/cm3以下程度であり、可能な限り低いことがよい。
また、第3外周領域28は、従来構造(図5参照)の第3外周領域124aよりも不純物濃度が低くなっている。すなわち、第3外周領域28の不純物濃度は、活性領域1の中央部1aにおけるp+型領域22の上部24の不純物濃度よりも低い。例えば、活性領域1の中央部1aに従来構造と同じトレンチゲート構造が配置される場合、本実施の形態のp++型コンタクト領域15d、p型ベース領域13およびp+型領域22は、それぞれ従来構造のp++型コンタクト領域115、p型ベース領域113およびp+型領域122と同じ構造となる。本実施の形態のp+型領域22の上部24および第3外周領域28はそれぞれ従来構造のp+型領域122の上部および第3外周領域124aに対応し、上述したように従来構造の第3外周領域124aとp+型領域122の上部とが同じ不純物濃度となっているからである。
第3外周領域28の不純物濃度をp+型領域22の上部24の不純物濃度よりも低くすることに代えて、第1外周領域15aの不純物濃度を活性領域1の中央部1aのp++型コンタクト領域15dの不純物濃度よりも低くしてもよい。この場合、第1外周領域15の不純物濃度は、p++型コンタクト領域15dの不純物濃度の例えば0.1倍以上0.5倍以下の範囲内であることがよく、例えば1×1019/cm3以下程度である。第3外周領域28の不純物濃度は、p+型領域22の上部24の不純物濃度と同じであってもよい。この場合においても、第3外周領域28の不純物濃度をp+型領域22の上部24の不純物濃度よりも低くした場合と同様の効果が得られる。また、第3外周領域28の不純物濃度と第1外周領域15aの不純物濃度ともに、活性領域1の中央部1aの対応する領域の不純物濃度よりも低くしてもよい。
第4外周領域27は、第3外周領域28のn+型ドレイン領域11側に隣接する。第4外周領域27は、p型外周領域25を構成する複数のp型領域のうち、最もn+型ドレイン領域11側に配置されている。第4外周領域27は、p+型領域22の下部23と同時に形成された領域であり、p+型領域22の下部23と略同じ深さ位置に略同じ厚さおよび略同じ不純物濃度で設けられている。すなわち、第4外周領域27の上面および下面は、それぞれ、プロセスばらつきによる許容誤差を含む範囲でp+型領域22の下部23の上面および下面と同じ深さ位置にある。
第1外周領域15a、第2外周領域13a、第3外周領域28および第4外周領域27の外側の各端部は異なる位置で終端している。具体的には、第1外周領域15aの外側端部は、活性領域1とエッジ終端領域2との境界に位置する。第2外周領域13aの外側端部は、第1外周領域15aの外側端部よりも所定幅w1だけ内側で終端している。第3外周領域28の外側端部は、第2外周領域13aの外側端部よりも所定幅w2だけ内側で終端している。第4外周領域27の外側端部は、第3外周領域28の外側端部よりも所定幅w3だけ内側で終端している。
これによって、p型外周領域25を構成する第1外周領域15a、第2外周領域13a、第3外周領域28および第4外周領域27のうち、最も半導体基板40のおもて面側の第1外周領域15aを最も外側まで延在させている。p型外周領域25の外側端部に、深さ方向に半導体基板40のおもて面から離れるほど段階的に内側に凹んだ同じ幅w1,w2,w3の複数段の段差が形成される。p型外周領域25の外側端部の各段差の幅w1,w2,w3は、すべて同じ幅である(w1=w2=w3)。
p型外周領域25の外側端部の各段差の幅w1,w2,w3は、例えば1μm以上程度であることがよく、可能な限り広いことがよい。また、p型外周領域25の外側端部の各段差の幅w1,w2,w3は、例えば2μm以上4μm以下程度であってもよい。p型外周領域25の外側端部の段差の幅w1,w2,w3とは、それぞれ、第1外周領域15aの外側端部から第2外周領域13aの外側端部までの半径方向の幅、第2外周領域13aの外側端部から第3外周領域28の外側端部までの半径方向の幅、および、第3外周領域28の外側端部から第4外周領域27の外側端部までの半径方向の幅である。
このようにp型外周領域25の外側端部に段差を形成することで、MOSFETのオフ時に第1外周領域15aの底部の外側コーナー部15bが電界集中箇所となるが、当該部分15bでの電界集中は第1外周領域15aの外側に隣接する耐圧構造30によって緩和される。また、第2外周領域13a、第3外周領域28および第4外周領域27は、それぞれ直上(半導体基板40のおもて面側)に隣接するp型領域の外側端部よりも内側で終端しているため、底部の外側コーナー部への局所的な電界集中が抑制される。
層間絶縁膜19は、半導体基板40のおもて面の全面に設けられ、ゲート電極18およびゲートポリシリコン配線層52を覆う。活性領域1の外周部1bおよびエッジ終端領域2において半導体基板40のおもて面と層間絶縁膜19との間に、フィールド酸化膜51が設けられている。ゲートポリシリコン配線層52は、活性領域1の外周部1bにおいてフィールド酸化膜51と層間絶縁膜19との間に配置されている。ゲートポリシリコン配線層52は、活性領域1の中央部1aの周囲を囲む。
ゲートポリシリコン配線層52の上には、層間絶縁膜19のコンタクトホールを介してゲート金属配線層53が設けられている。ゲートポリシリコン配線層52およびゲート金属配線層53は、ゲートランナーを構成する。ゲートポリシリコン配線層52には、トレンチ16の長手方向の端部においてゲート電極18が連結されている。すべてのゲート電極18は、ゲートポリシリコン配線層52およびゲート金属配線層53を介してゲートパッド(電極パッド:不図示)に電気的に接続されている。
ゲートランナー直下(n+型ドレイン領域11側)は同一構造であることが好ましく、ゲートランナー直下において半導体基板40のおもて面とn-型ドリフト領域12との間には、p型外周領域25のみが配置されている。すなわち、ゲートランナーの全面が、深さ方向にフィールド酸化膜51を介して第1外周領域15a、第2外周領域13a、第3外周領域28および第4外周領域27のすべてに対向する。ゲートランナーの内側端部は、第1外周領域15aの内側端部よりも外側に位置する。ゲートランナーの外側端部は、第4外周領域27の外側端部よりも内側に位置する。
オーミック電極(第1電極)43は、半導体基板40のおもて面の、層間絶縁膜19の各コンタクトホールに露出する部分上にそれぞれ設けられている。オーミック電極43は、半導体基板40のおもて面においてn+型ソース領域14およびp++型コンタクト領域15d,15c(p++型コンタクト領域15d,15cを設けない場合はp型ベース領域13)にオーミック接触する。オーミック電極43は、例えばニッケルシリサイド(NixSiy、x,yは任意の整数)膜である。
ソース電極(第1電極)44は、層間絶縁膜19の各コンタクトホールを埋め込むように、層間絶縁膜19上に設けられている。ソース電極44は、活性領域1の中央部1aの略全域に設けられ、ゲート金属配線層53に達しない程度に活性領域1の外周部1bに延在している。ソース電極44は、活性領域1の中央部1aにおいてオーミック電極43を介してn+型ソース領域14、p++型コンタクト領域15d、p型ベース領域13、p+型領域21,22に電気的に接続されている。
ソース電極44は、活性領域1の外周部1bにおいてオーミック電極43を介してp++型コンタクト領域15c、第1外周領域15a、第2外周領域13a、第3外周領域28および第4外周領域27に電気的に接続されている。ドレイン電極(第2電極)45は、半導体基板40の裏面(n+型出発基板41の裏面)全面に設けられて、n+型ドレイン領域11(n+型出発基板41)にオーミック接触し、n+型ドレイン領域11に電気的に接続されている。
エッジ終端領域2の耐圧構造30は、例えばJTE構造を空間変調構造とした空間変調JTE構造であり、半導体基板40のおもて面とn-型ドリフト領域12との間に選択的に設けられた複数のp型領域(第2導電型耐圧領域)31および複数のp-型領域(第2導電型耐圧領域)32で構成される。p型領域31およびp-型領域32はn-型炭化珪素層42cの表面領域にイオン注入により形成された拡散領域であり、これらの深さd1はすべて略同じで半導体基板40のおもて面から例えば0.5μm程度である。
p型領域31およびp-型領域32の各底部の深さ位置は、半導体基板40のおもて面から第1外周領域15aの底部よりも浅い深さ位置にある。このため、第1外周領域15a、第2外周領域13a、第3外周領域28および第4外周領域27の各底部の外側コーナー部は、n-型ドリフト領域12に囲まれている。p型領域31およびp-型領域32は、半導体基板40のおもて面上の絶縁層(層間絶縁膜19およびフィールド酸化膜51)に接する。
複数のp型領域31は、活性領域1の周囲を囲む同心状に互いに離れて配置されている。外側に配置されたp型領域31ほど、幅(半導体基板40のおもて面の面内において内側から外側へ向かう半径方向の幅)が狭く、かつ内側に隣り合うp型領域31との間隔が広い。最も内側のp型領域31は、第1外周領域15aの外側に、第1外周領域15aに隣接して配置されている。図2,3には、p型領域31およびp-型領域32にそれぞれ異なるハッチングを付している。
複数のp-型領域32は、活性領域1の周囲を囲む同心状に互いに離れて配置されている。外側に配置されたp-型領域32ほど、幅(半径方向の幅)が狭く、かつ内側に互いに隣り合うp-型領域32との間隔が広い。最も外側のp-型領域32の幅は、内側に隣り合うp-型領域32の幅よりも広くてもよい。内側のp-型領域32のいくつかは、互いに隣り合うp型領域31間に配置され、半径方向に両側のp型領域31に隣接して、すべてのp型領域31の底部のコーナー部を囲む。
最も内側のp-型領域32の内側端部は、最も内側のp型領域31の外側端部と同じ位置か、または最も内側のp型領域31の外側端部よりも外側で終端している。最も内側のp-型領域32は、最も外側のp型領域31よりも内側へ延在している。何本かの内側のp-型領域32以外のp-型領域32は、p型領域31よりも外側に配置される。p型領域31よりも外側において、n-型ドリフト領域12は、互いに隣り合うすべてのp-型領域32間に延在して半導体基板40のおもて面に達し、半径方向に両側のp-型領域32に隣接する。
すべてのp型領域31および内側のp-型領域32のいくつかは、第1外周領域15aを介してソース電極44の電位に固定される。エッジ終端領域2の電界強度は活性領域1から外側へ離れるにつれて小さくなる傾向にある。このため、エッジ終端領域2の電界強度分布の傾向に合わせて、活性領域1から外側へ離れた位置に配置されるほどJTE領域30a,30cの不純物濃度を低くすることで、エッジ終端領域2の所定耐圧が安定して確保される。
最も内側のp型領域31(JTE領域30a)と、p-型領域32の、最も外側のp型領域31の外側端部に接する部分(JTE領域)30cと、でダブルゾーンJTE構造が構成される。JTE領域30a以外のp型領域31と、内側のp-型領域32のいくつかと、でJTE領域30a,30c間の空間変調領域30bが構成される。最も内側のp-型領域32以外のp-型領域32と、n-型ドリフト領域12と、でJTE領域30cの外側に隣接する空間変調領域30dが構成される。
空間変調領域30bは、自身の両側それぞれに隣接する領域(JTE領域30a,30c)と略同じ不純物濃度の2つの小領域(p型領域31およびp-型領域32)を所定パターンで交互に繰り返し隣接して配置してなる。空間変調領域30dは、自身の両側それぞれに隣接する領域(JTE領域30cおよびn-型ドリフト領域12)と略同じ不純物濃度の2つの小領域(p-型領域32およびn-型ドリフト領域12)を所定パターンで交互に繰り返し隣接して配置してなる。空間変調領域30b,30d全体の空間的な不純物濃度分布は2つの小領域の幅および不純物濃度比で決まる。
このように、耐圧構造30は、JTE領域30a,30cおよび空間変調領域30b,30dを備える。この場合、耐圧構造30は、互いに隣り合うJTE領域30a,30c間に、これら2つの領域の不純物濃度の中間の不純物濃度と空間的に等価な不純物濃度分布を有する空間変調領域30bを配置し、JTE領域30cとその外側のn-型ドリフト領域12との間に、これら2つの領域の不純物濃度の中間の不純物濃度と空間的に等価な不純物濃度分布を有する空間変調領域30dを配置して、全体のp型不純物濃度を内側から外側へ向って緩やかに減少させた空間変調JTE構造である。
耐圧構造30は、1つのJTE領域のみで構成されたシングルゾーンJTE構造であってもよい(不図示)。この場合、耐圧構造30は、1つのJTE領域とその外側のn-型ドリフト領域間に、これら2つの領域の不純物濃度の中間の不純物濃度と空間的に等価な不純物濃度分布を有する空間変調領域を配置して、全体のp型不純物濃度を内側から外側へ向って緩やかに減少させた空間変調JTE構造である。空間変調JTE構造は、空間変調領域を有していない一般的なJTE構造と比べて、エッジ終端領域2の所定耐圧をより安定して確保可能である。
また、半導体基板40のおもて面とn-型ドリフト領域12との間において、耐圧構造30よりも外側に、n+型チャネルストッパ領域33が選択的に設けられている。n+型チャネルストッパ領域33は、n-型炭化珪素層42cの表面領域にイオン注入により形成された拡散領域である。n+型チャネルストッパ領域33は、耐圧構造30よりも外側に、半径方向に耐圧構造30と離れて設けられ、耐圧構造30の周囲を囲む。n+型チャネルストッパ領域33は、半導体基板40のおもて面上の絶縁層に接する。
+型チャネルストッパ領域33は、チップ端部に露出されている。n+型チャネルストッパ領域33と耐圧構造30(最も外側のp-型領域32)との間はn-型ドリフト領域12である。n+型チャネルストッパ領域33は、フローティング(浮遊)電位を有する。エッジ終端領域2における半導体基板40のおもて面に、フィールドプレート(FP:Field Plate)やチャネルストッパ電極は設けられていない。n+型チャネルストッパ領域33に代えて、p+型チャネルストッパ領域が設けられてもよい。
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10の動作について説明する。ソース電極44に対して正の電圧(順方向電圧)がドレイン電極45に印加された状態で、ゲート電極18にゲート閾値電圧以上の電圧が印加されると、p型ベース領域13のトレンチ16に沿った部分にチャネル(n型の反転層)が形成される。それによって、n+型ドレイン領域11からn-型ドリフト領域12およびチャネルを通ってn+型ソース領域14へ向かう電流が流れ、MOSFET(炭化珪素半導体装置10)がオンする。
一方、ソース・ドレイン間に順方向電圧が印加された状態で、ゲート電極18にゲート閾値電圧未満の電圧が印加されると、p型ベース領域13、p+型領域21,22およびp型外周領域25と、n型電流拡散領域20およびn-型ドリフト領域12と、のpn接合(活性領域1の主接合)が逆バイアスされ、MOSFETはオフ状態を維持する。このとき、当該pn接合からn-型ドリフト領域12内に空乏層が広がることで、トレンチ16の底面のゲート絶縁膜17にかかる電界が緩和される。
また、MOSFETのオフ時、空乏層がエッジ終端領域2のn-型ドリフト領域12内を外側(チップ端部側)へ向かって延びた分だけ、炭化珪素の絶縁破壊電界強度および空乏層幅(半径方向の幅)に基づく所定耐圧が確保される。また、MOSFETのオフ時、p型外周領域25を構成する第1~4外周領域15a,13a,28,27のうち、最も半導体基板40のおもて面側の第1外周領域15aの底部の外側コーナー部15bが電界集中箇所となる。
したがって、活性領域1の主接合の最外周端(以下、主接合端とする)での局所的な電界集中が抑制される。活性領域1の主接合端とは、p型外周領域25の底部の外側コーナー部25b(p型外周領域25を構成する第1~4外周領域15a,13a,28,27のうち、最も半導体基板40の裏面側の第4外周領域27の底部の外側コーナー部27b)である。第1外周領域15aの底部の外側コーナー部15bでの電界集中は、第1外周領域15aの外側に隣接する耐圧構造30によって緩和される。
また、p型外周領域25の外側端部に深さ方向に半導体基板40のおもて面から離れるほど段階的に内側に凹んだ同じ幅w1,w2,w3の複数段の段差を形成し、かつp型外周領域25を構成する第3外周領域28の不純物濃度を活性領域1の中央部1aのp+型領域22の上部24の不純物濃度よりも低くすることで、MOSFETのオフ時にp型外周領域25の下部(第3,4外周領域28,27)や外側端部(段差部分)にかかる電界を緩和することができるため、エッジ終端領域2での耐圧低下が抑制される。
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10の製造方法について説明する。まず、n+型ドレイン領域11となるn+型出発基板(n+型出発ウエハ)41のおもて面に、n-型ドリフト領域12となるn-型炭化珪素層42aをエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、活性領域1の中央部1aにおいてn-型炭化珪素層42aの表面領域に、p+型領域21と、p+型領域22の下部23と、第4外周領域27と、を同時にそれぞれ選択的に形成する。
また、フォトリソグラフィおよびn型不純物のイオン注入により、活性領域1においてn-型炭化珪素層42aの表面領域に、n型電流拡散領域20の下部を形成する。p+型領域21、p+型領域22の下部23および第4外周領域27と、n型電流拡散領域20の下部と、の形成順序は入れ替え可能である。第4外周領域27は、p+型領域21や、p+型領域22の下部23と異なるタイミングで形成してもよい。
次に、n-型炭化珪素層42a上に、n-型ドリフト領域12となるn-型炭化珪素層42bをエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、活性領域1の中央部1aにおけるn-型炭化珪素層42bに、p+型領域22の上部24を選択的に形成する。このとき、深さ方向にp+型領域22の上部24と下部23とを連結させる。
また、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、活性領域1の外周部1bにおけるn-型炭化珪素層42bに、p+型領域22の上部24よりも低い不純物濃度で第3外周領域28を選択的に形成する。このとき、深さ方向に第3,4外周領域28,27同士を連結させてp+型領域26を形成する。第3外周領域28の外側端部は、第4外周領域27の外側端部よりも外側で終端させる。
また、フォトリソグラフィおよびn型不純物のイオン注入により、活性領域1におけるn-型炭化珪素層42bに、n型電流拡散領域20の上部を形成する。このとき、n型電流拡散領域20の上部と下部とを連結させる。p+型領域22の上部24と、第3外周領域28と、n型電流拡散領域20の上部と、の形成順序は入れ替え可能である。
次に、n-型炭化珪素層42b上に、n-型ドリフト領域12となるn-型炭化珪素層42cをエピタキシャル成長させる。ここまでの工程で、内部にp+型領域21,22,26およびn型電流拡散領域20を含むn-型炭化珪素層42(42a~42c)をn+型出発基板41上に積層した所定厚さの半導体基板(半導体ウエハ)40が完成する。
次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、活性領域1におけるn-型炭化珪素層42cに、p型ベース領域13および第2外周領域13aを同時に形成する。このとき、深さ方向にp型ベース領域13とp+型領域22の上部24とを連結させる。深さ方向に第2,3外周領域13a,28同士を連結させる。第2外周領域13aの外側端部は、第3外周領域28の外側端部よりも外側で終端させる。
また、フォトリソグラフィおよびn型不純物のイオン注入により、活性領域1の中央部1aにおいてn-型炭化珪素層42cの表面領域にn+型ソース領域14を選択的に形成する。また、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、活性領域1においてn-型炭化珪素層42cの表面領域に、p++型コンタクト領域15d,15cおよび第1外周領域15aを同時にそれぞれ選択的に形成する。
このとき、深さ方向にn+型ソース領域14およびp++型コンタクト領域15dをp型ベース領域13に接触させる。深さ方向にp++型コンタクト領域15cを第2外周領域13aに接触させる。また、深さ方向に第1,2外周領域15a,13a同士を連結させる。これによって、深さ方向に第1~4外周領域15a,13a,28,27が連結され、活性領域1の外周部1bにp型外周領域25が形成される。
第1外周領域15aの外側端部は、第2外周領域13aの外側端部よりも外側で終端させる。これによって、第1~4外周領域15a,13a,28,27の外側の各端部は半導体基板40のおもて面から離れるほど内側で終端する。p型外周領域25の外側端部には、半導体基板40のおもて面(n-型炭化珪素層42cの表面)から離れるほど段階的に内側に凹んだ同じ幅w1,w2,w3の複数段の段差が形成される。
また、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、エッジ終端領域2においてn-型炭化珪素層42cの表面領域に、複数のp型領域31と、複数のp-型領域32と、をそれぞれ選択的に形成する。p型領域31とp-型領域32とは異なるタイミングで形成される。また、フォトリソグラフィおよびn型不純物のイオン注入により、エッジ終端領域2においてn-型炭化珪素層42cの表面領域にn+型チャネルストッパ領域33を選択的に形成する。
複数のp型領域31および複数のp-型領域32によってエッジ終端領域2に耐圧構造30が形成される。n-型炭化珪素層42cの内部に各拡散領域を形成する順序は適宜変更可能である。n+型チャネルストッパ領域33は、n+型ソース領域14と同時に形成されてもよい。n-型炭化珪素層42(42a~42c)のイオン注入されずにエピタキシャル成長時の不純物濃度のまま残る部分がn-型ドリフト領域12となる。
次に、n-型炭化珪素層42にイオン注入した不純物を活性化させるための熱処理を行う。この不純物活性化のための熱処理は、各n-型炭化珪素層42a~42cにそれぞれ不純物をイオン注入するごとに行ってもよい。次に、一般的な方法により、トレンチ16、ゲート絶縁膜17、ゲート電極18、フィールド酸化膜51およびゲートポリシリコン配線層52を形成する。
次に、半導体基板40のおもて面の全面に層間絶縁膜19を形成する。次に、一般的な方法により、ソース電極44、ゲートパッド(不図示)、ゲート金属配線層53、パッシベーション膜(表面保護膜:不図示)およびドレイン電極45を形成する。ソース電極44の、パッシベーション膜の開口部に露出する部分がソースパッドとなる。その後、半導体ウエハをダイシング(切断)して個々のチップ状に個片化することで、図1~3の炭化珪素半導体装置10が完成する。
以上、説明したように、実施の形態によれば、活性領域の外周部のp型外周領域の外側端部に半導体基板のおもて面から離れるほど段階的に内側に凹んだ段差が形成されている。このため、p型外周領域を構成する第1~4外周領域のうち、最も半導体基板のおもて面側に配置されて最も外側で終端する第1外周領域の底部の外側コーナー部がMOSFETのオフ時に電界集中箇所となるが、当該底部の外側コーナー部での電界集中は第1外周領域の外側に隣接する耐圧構造によって緩和される。
また、実施の形態によれば、第3外周領域の不純物濃度が活性領域の中央部においてトレンチ底面のゲート絶縁膜にかかる電界を緩和するためのp+型領域の上部の不純物濃度よりも低く、かつp型外周領域の外側端部に複数段の段差の幅がすべて同じ幅となっている。これによって、第3外周領域の不純物濃度と、第1~4外周領域の外側の各端部位置と、を最適化することができるため、p型外周領域の下部(第3,4外周領域)や外側端部(段差部分)にかかる電界を緩和することができる。
p型外周領域の下部や外側端部にかかる電界が緩和されることで、活性領域の主接合端(p型外周領域の底部の外側コーナー部)への局所的な電界集中が抑制されるため、活性領域の主接合端でのアバランシェ降伏耐量を向上させることができる。これによって、エッジ終端領域の耐圧低下を抑制することができ、エッジ終端領域の耐圧が活性領域の耐圧よりも低くなることを抑制することができる。このため、活性領域の耐圧で炭化珪素半導体装置の全体の耐圧を決めることができ、信頼性を向上させることができる。
また、実施の形態によれば、イオン注入用マスクパターンを適宜変更することで、活性領域の素子構造の形成方法を変えることなく、p型外周領域の外側端部に段差を形成することができる。また、活性領域の各部と異なるタイミングで第3外周領域を形成することで、活性領域の素子構造の形成方法を変えることなく、第3外周領域の不純物濃度を適宜設定することができる。したがって、簡易に形成可能でかつ所定耐圧を安定して確保可能な信頼性の高い炭化珪素半導体装置を提供することができる。
(実験例)
上述した実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置10(以下、実験例とする:図1~3参照)の耐圧特性について検証した。図4は、実験例の耐圧特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。図4の横軸はp+型領域22の上部24の不純物濃度に対する第3外周領域28の不純物濃度の比率(以下、第3外周領域28の不純物濃度比とする)であり、縦軸はエッジ終端領域2の耐圧である。
実験例のエッジ終端領域2の耐圧について、p型外周領域25の外側端部の段差の幅w1,w2,w3(幅w1=幅w2=幅w3)と、第3外周領域28の不純物濃度と、を種々変更してシミュレーションした結果を図4に示す。図4には、p型外周領域25の外側端部の段差の幅w1,w2,w3(幅w1=幅w2=幅w3)を1μm、2μm、3μmおよび4μmとした4つの実験例のシミュレーション結果を示す。
また、図4には、比較として、比較例のエッジ終端領域2の耐圧をシミュレーションした結果を「段差なし」として示す。比較例が実験例と異なる点は、p型外周領域25を構成する第1~4外周領域の外側の各端部が同じ位置で終端して、半導体基板40のおもて面に垂直な同一面上にあることである。すなわち、比較例のp型外周領域25の外側端部に段差は形成されていない。
図4に示す結果から、比較例では、エッジ終端領域2の耐圧は、第3外周領域28の不純物濃度比によらずほぼ一定であるが、活性領域1の耐圧の設計値(標準耐圧)と比べて大幅に低く1180Vとなることが確認された。ここで、比較例の活性領域1の耐圧の設計値は1600Vよりも若干高い耐圧(横破線)である。したがって、比較例は、耐圧1200VクラスのMOSFETに適用される。
一方、実験例においては、p型外周領域25の外側端部に深さ方向に半導体基板40のおもて面から離れるほど段階的に内側に凹んだ段差が形成されていることで、エッジ終端領域2の耐圧低下が抑制され、エッジ終端領域2の耐圧が活性領域1の耐圧の設計値に近くなることが確認された。ここで、実験例の活性領域1の耐圧の設計値も1600Vよりも若干高い耐圧(横破線)である。
また、実験例においては、p型外周領域25の外側端部に形成された複数段の段差の幅w1,w2,w3が2μm以上でかつすべて同じ幅であり、第3外周領域28の不純物濃度がp+型領域22の上部24の不純物濃度の0.1倍以上0.5倍以下の範囲内であるときに、エッジ終端領域2の耐圧が活性領域1の耐圧の設計値以上となり、耐圧1600VクラスのMOSFETに適用可能であることが確認された。
また、実験例においては、p型外周領域25の外側端部の段差の幅w1,w2,w3が広いほど、かつ第3外周領域28の不純物濃度が低いほど、エッジ終端領域2の耐圧が高くなることが確認された。具体的には、p型外周領域25の外側端部の段差の幅w1,w2,w3を4μmとしたときに、エッジ終端領域2の耐圧を活性領域1の耐圧の設計値よりも最大で82V高くなることが確認された。
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図2に示す活性領域の構造は一例であり、トレンチゲート構造に代えて、例えばプレーナゲート構造としてもよい。すなわち、活性領域の外周部に、活性領域の中央部の周囲を囲むp型外周領域が形成され、当該p型外周領域の外側端部に深さ方向に半導体基板のおもて面から離れるほど段階的に内側に凹んだ複数の段差が形成されていればよく、活性領域の素子構造を適宜変更可能である。
また、空間変調JTE構造に代えて、活性領域の外周部のp型外周領域と、半導体基板のおもて面上の絶縁層と、に接して、一般的なJTE構造を設けてもよい。一般的なJTE構造とは、複数のp型領域(JTE領域)を、内側から外側へ離れるほど不純物濃度の低いJTE領域が配置されるように、活性領域の周囲を囲む同心状に隣接して配置した構造である。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用である。
1 活性領域
1a 活性領域の中央部
1b 活性領域の外周部
2 エッジ終端領域
10 炭化珪素半導体装置
11 n+型ドレイン領域
12 n-型ドリフト領域
13 p型ベース領域
13a 第2外周領域(p型ベース領域の延在部)
14 n+型ソース領域
15,15c,15d p++型コンタクト領域
15a 第1外周領域(最も外側のp++型コンタクト領域)
15b 第1外周領域の底部の外側コーナー部
16 トレンチ
17 ゲート絶縁膜
18 ゲート電極
19 層間絶縁膜
20 n型電流拡散領域
21 トレンチ下のp+型領域
22 互いに隣り合うトレンチ間のp+型領域
23 互いに隣り合うトレンチ間のp+型領域の下部
24 互いに隣り合うトレンチ間のp+型領域の上部
25 p型外周領域
25b p型外周領域の底部の外側コーナー部
26 p+型領域
27 第4外周領域
27b 第4外周領域の底部の外側コーナー部
28 第3外周領域
30 耐圧構造
30a,30c JTE領域
30b、30d 空間変調領域
31 耐圧構造のp型領域
32 耐圧構造のp-型領域
33 n+型チャネルストッパ領域
40 半導体基板
41 n+型出発基板
42,42a,42b,42c n-型炭化珪素層
43 オーミック電極
44 ソース電極
45 ドレイン電極
51 フィールド酸化膜
52 ゲートポリシリコン配線層
53 ゲート金属配線層
61,62 n型チャネルストッパ領域
d1 耐圧構造(p型領域およびp-型領域)の深さ
w1,w2,w3 p型外周領域の外側端部の段差の幅

Claims (6)

  1. 炭化珪素からなり、全面にわたって平坦な第1主面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板に設けられた活性領域と、
    前記半導体基板に設けられ、前記活性領域の周囲を囲む終端領域と、
    前記活性領域から前記終端領域にわたって前記半導体基板の内部に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
    前記活性領域において前記第1主面と前記第1半導体領域との間に設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
    前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とのpn接合を含み、前記pn接合を通過する電流が流れる素子構造と、
    前記素子構造と前記終端領域との間において前記第1主面と前記第1半導体領域との間に設けられ、前記活性領域の周囲を囲む第2導電型外周領域と、
    前記終端領域において前記第1主面と前記第1半導体領域との間に、前記活性領域の周囲を囲む同心状に互いに離れて設けられた複数の第2導電型耐圧領域で構成された耐圧構造と、
    前記第1主面に設けられ、前記第2半導体領域および前記第2導電型外周領域に電気的に接続された第1電極と、
    前記半導体基板の第2主面に設けられ、前記第1半導体領域に電気的に接続された第2電極と、
    を備え、
    前記素子構造は、
    前記第1主面と前記第2半導体領域との間に選択的に設けられ、前記第1電極に電気的に接続された第1導電型の第3半導体領域と、
    前記第3半導体領域および前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に達するトレンチと、
    前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間において、前記トレンチの底面よりも前記第2主面側に選択的に設けられた、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型高濃度領域と、を備え、
    前記第2導電型外周領域は、外側端部に深さ方向に前記第1主面から離れるほど段階的に内側に凹んだ同じ幅の複数段の段差を有し、当該段差に応じて前記第1主面から離れるほど内側で終端する複数の外周領域で構成され、
    前記複数の外周領域は、
    最も前記第1主面側において、前記耐圧構造の内側端部に接する第1外周領域と、
    前記第2半導体領域の前記素子構造よりも外側の部分であり、前記第1外周領域の前記第2主面側に隣接する第2外周領域と、
    前記第2外周領域の前記第2主面側に隣接する第3外周領域と、
    前記第3外周領域の前記第2主面側に隣接し、下面が前記第2導電型高濃度領域の下面と同じ深さである第4外周領域と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
  2. 前記第3外周領域の不純物濃度は、前記第2導電型高濃度領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
  3. 前記第3外周領域の不純物濃度は、前記第2導電型高濃度領域の不純物濃度の0.1倍以上0.5倍以下の範囲内であることを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。
  4. 前記第4外周領域の不純物濃度は、前記第2導電型高濃度領域の不純物濃度と等しいことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
  5. 前記第2導電型外周領域の外側端部の前記段差の前記幅は、1μm以上4μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
  6. 前記第2導電型高濃度領域は、
    前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に選択的に設けられ、前記トレンチの底面に対向する、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第1の第2導電型高濃度領域と、
    前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との間に、前記トレンチおよび前記第1の第2導電型高濃度領域と離れて、かつ前記第2半導体領域に接して選択的に設けられ、前記トレンチの底面よりも前記第2主面側に達する、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2の第2導電型高濃度領域と、を有し、
    前記第3外周領域は、上面が前記第2の第2導電型高濃度領域の上面と同じ深さ位置にあり、前記第2の第2導電型高濃度領域の前記第1主面側の部分よりも不純物濃度が低く、
    前記第4外周領域は、下面が前記第2の第2導電型高濃度領域の下面と同じ深さ位置にあり、前記第2の第2導電型高濃度領域の前記第2主面側の部分と不純物濃度が等しいことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
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