JP2000252456A - 半導体装置並びにそれを用いた電力変換器 - Google Patents
半導体装置並びにそれを用いた電力変換器Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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Abstract
(57)【要約】
【課題】オン特性への影響をほとんど与えることなく、
ターミネーション表面の電界強度を低減させる。 【解決手段】ドリフト層をｎ層とｎ- 層から成る２層構
造とし、ターミネーション領域を上記ｎ- 層の表面に形
成する。ｎ- 層とｎ層の不純物濃度比として１：２より
小さくし、ソースｎ+ 層の厚みよりｎ- 層を薄くする。 【効果】高温動作においても信頼性を確保することがで
きる。
ターミネーション表面の電界強度を低減させる。 【解決手段】ドリフト層をｎ層とｎ- 層から成る２層構
造とし、ターミネーション領域を上記ｎ- 層の表面に形
成する。ｎ- 層とｎ層の不純物濃度比として１：２より
小さくし、ソースｎ+ 層の厚みよりｎ- 層を薄くする。 【効果】高温動作においても信頼性を確保することがで
きる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置のター
ミネーション構造に関する。
ミネーション構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】高性能なパワー半導体素子を実現する方
法として、アバランシェ降伏電界が大きいシリコンカー
バイド（以下ＳｉＣ）を用いることにより、ドリフト層
をＳｉより高濃度かつ薄くすることで電気抵抗を小さく
し、導通状態並びにスイッチング時に発生する電力損失
を小さくする試みがなされている。
法として、アバランシェ降伏電界が大きいシリコンカー
バイド（以下ＳｉＣ）を用いることにより、ドリフト層
をＳｉより高濃度かつ薄くすることで電気抵抗を小さく
し、導通状態並びにスイッチング時に発生する電力損失
を小さくする試みがなされている。
【０００３】パワーMOSFETなどの非導通状態における電
気力線を、端面ではなく表面から半導体外部に放出する
プレーナ型の半導体素子では、ターミネーション領域は
低不純物濃度のドリフト層表面に形成される。表面にお
ける電界強度は、ｎ型パワーMOSFETの場合、機能領域の
最も外側に形成されたｐベースとターミネーション領域
のｎ−ドリフト層の界面で最大になり、ターミネーショ
ン領域においては素子の周辺に向かって減少し、同時に
ｐベースの内側に向かっても減少する。
気力線を、端面ではなく表面から半導体外部に放出する
プレーナ型の半導体素子では、ターミネーション領域は
低不純物濃度のドリフト層表面に形成される。表面にお
ける電界強度は、ｎ型パワーMOSFETの場合、機能領域の
最も外側に形成されたｐベースとターミネーション領域
のｎ−ドリフト層の界面で最大になり、ターミネーショ
ン領域においては素子の周辺に向かって減少し、同時に
ｐベースの内側に向かっても減少する。
【０００４】ターミネーション並びにこれに接するｐベ
ース表面には、一般に素子を保護するためのパッシベー
ション膜が形成される。材質は酸化膜である。酸化膜は
電界強度が数ＭｅＶ／cmを超えると、絶縁破壊する頻度
が増大する。高温では２MeV／cm以下の電界強度でも、
破壊する確率が１％より大きく無視できなくなる。一
方、ＳｉＣの破壊電界強度は２.２ＭｅＶ／cm であり、
ドリフト層の不純物濃度は素子内部のｐウェルとｎ−ド
リフト層界面の電界強度がこれを超えないように設計さ
れる。上記ターミネーションとｐウェルの接合界面にお
いても同様であり、破壊を起こす割合は無視できない。
そのため文献：International Conferenceof Silicon C
arbide，III−Nitrides and Related Materials 1997,
p136に記載のように、ターミネーションの構造として、
ＪＴＥ（Junction TerminationExtension ）という方式
を採用する試みがある。図２はＪＴＥを示す模式的断面
図であり、ｐ+／ｎ ダイオードの例である。図において
１１は高濃度ｎ+ 基板、１２は低濃度（高抵抗）ｎエピ
タキシャル層、３１はカソード電極、３２はアノード電
極、２１はｐ+ 層でありダイオードにおけるアノード領
域である。ｎ- 層の濃度は所定の耐圧が得られる最大値
が選ばれる。本公知例では、アノードｐ+２１の外側に
順次濃度を低下させた帯状のｐ型領域２２と２３とを接
して形成させていることが特徴である。表面において電
界強度が最も高いのはｐ型領域２３とｎターミネーショ
ン領域の接合界面である。接合界面に接するｐ型領域の
濃度下げることで空乏層のｐ型領域への拡がりを大きく
し、表面における電界強度を低減させて、絶縁破壊の割
合を抑える試みがなされている。
ース表面には、一般に素子を保護するためのパッシベー
ション膜が形成される。材質は酸化膜である。酸化膜は
電界強度が数ＭｅＶ／cmを超えると、絶縁破壊する頻度
が増大する。高温では２MeV／cm以下の電界強度でも、
破壊する確率が１％より大きく無視できなくなる。一
方、ＳｉＣの破壊電界強度は２.２ＭｅＶ／cm であり、
ドリフト層の不純物濃度は素子内部のｐウェルとｎ−ド
リフト層界面の電界強度がこれを超えないように設計さ
れる。上記ターミネーションとｐウェルの接合界面にお
いても同様であり、破壊を起こす割合は無視できない。
そのため文献：International Conferenceof Silicon C
arbide，III−Nitrides and Related Materials 1997,
p136に記載のように、ターミネーションの構造として、
ＪＴＥ（Junction TerminationExtension ）という方式
を採用する試みがある。図２はＪＴＥを示す模式的断面
図であり、ｐ+／ｎ ダイオードの例である。図において
１１は高濃度ｎ+ 基板、１２は低濃度（高抵抗）ｎエピ
タキシャル層、３１はカソード電極、３２はアノード電
極、２１はｐ+ 層でありダイオードにおけるアノード領
域である。ｎ- 層の濃度は所定の耐圧が得られる最大値
が選ばれる。本公知例では、アノードｐ+２１の外側に
順次濃度を低下させた帯状のｐ型領域２２と２３とを接
して形成させていることが特徴である。表面において電
界強度が最も高いのはｐ型領域２３とｎターミネーショ
ン領域の接合界面である。接合界面に接するｐ型領域の
濃度下げることで空乏層のｐ型領域への拡がりを大きく
し、表面における電界強度を低減させて、絶縁破壊の割
合を抑える試みがなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ｐ+／ｎ 接合において
電界強度を最も低減するには、ｐ層の濃度をｎ層と同程
度まで低くすればよい。しかしながら、製造上のばらつ
きを考慮すると、ｐ領域２３の濃度はｎ層の２倍程度が
下限である。ｐ型領域をここまで低濃度化したことによ
る電界低減効果は、ｐ+／ｎ 接合における空乏層の拡が
りをｎ側のみと近似した場合、ポアソン方程式より高々
２／３の１／２乗であり、約８０％までしか低減しな
い。すなわち１.６ＭｅＶ／cm 程度の電界強度が存在す
ることになる。これに表面への電界放出の効果が加わる
ため電界は減少するが、絶縁破壊頻度が無視できるよう
になる１ＭｅＶ／cmより電界を低くすることことは困難
である。
電界強度を最も低減するには、ｐ層の濃度をｎ層と同程
度まで低くすればよい。しかしながら、製造上のばらつ
きを考慮すると、ｐ領域２３の濃度はｎ層の２倍程度が
下限である。ｐ型領域をここまで低濃度化したことによ
る電界低減効果は、ｐ+／ｎ 接合における空乏層の拡が
りをｎ側のみと近似した場合、ポアソン方程式より高々
２／３の１／２乗であり、約８０％までしか低減しな
い。すなわち１.６ＭｅＶ／cm 程度の電界強度が存在す
ることになる。これに表面への電界放出の効果が加わる
ため電界は減少するが、絶縁破壊頻度が無視できるよう
になる１ＭｅＶ／cmより電界を低くすることことは困難
である。
【０００６】本発明の目的は、ＳｉＣ等のアバランシェ
降伏電界がＳｉより大きな半導体を用いた場合であって
も、高温においても絶縁破壊頻度を生じないようにする
ため、ターミネーション表面における電界強度を１Ｍｅ
Ｖ／cm未満まで、さらに望ましくはＳｉ／ＳｉＯ2 界面
程度まで効果的に低減できる構造を提案することであ
る。
降伏電界がＳｉより大きな半導体を用いた場合であって
も、高温においても絶縁破壊頻度を生じないようにする
ため、ターミネーション表面における電界強度を１Ｍｅ
Ｖ／cm未満まで、さらに望ましくはＳｉ／ＳｉＯ2 界面
程度まで効果的に低減できる構造を提案することであ
る。
【０００７】本発明の第２の目的は、オン特性への影響
をほとんど与えることなく電界強度を低減できる構造を
提案することである。
をほとんど与えることなく電界強度を低減できる構造を
提案することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明ではｐ+／ｎ ダイオード及びｎチャネルトラ
ンジスタにおいて、ドリフト層を従来のｎ層に加えて、
より低濃度高抵抗のｎ- 層から成る２層構造とし、ター
ミネーション領域を上記ｎ- 層の表面に形成するとした
ものである。
に、本発明ではｐ+／ｎ ダイオード及びｎチャネルトラ
ンジスタにおいて、ドリフト層を従来のｎ層に加えて、
より低濃度高抵抗のｎ- 層から成る２層構造とし、ター
ミネーション領域を上記ｎ- 層の表面に形成するとした
ものである。
【０００９】ｎ- 層とｎ層の不純物濃度比として本発明
では、１：２より小さくしたものである。あるいは、ｎ
- 層とｎ層の抵抗比として２：１より大きくしたもので
ある。
では、１：２より小さくしたものである。あるいは、ｎ
- 層とｎ層の抵抗比として２：１より大きくしたもので
ある。
【００１０】さらに第２の目的のために、本発明では、
上記ｎ- 層の厚みがｎ層より薄くしたものである。さら
本発明では、ドリフト領域ないしチャネル領域に上記ｎ
- 層がない構造としたものである。具体的にはダイオー
ドにおいては、高濃度ｐ層より浅くしたものである。ト
ランジスタにおいては、ソースｎ+ 層の厚みよりｎ-層
を薄くしたものであり、さらには該ｎ- 層をターミネー
ション領域に接するｐ型領域より浅くしたものであり、
ターミネーション領域にのみ該ｎ- 層を設けたものであ
る。
上記ｎ- 層の厚みがｎ層より薄くしたものである。さら
本発明では、ドリフト領域ないしチャネル領域に上記ｎ
- 層がない構造としたものである。具体的にはダイオー
ドにおいては、高濃度ｐ層より浅くしたものである。ト
ランジスタにおいては、ソースｎ+ 層の厚みよりｎ-層
を薄くしたものであり、さらには該ｎ- 層をターミネー
ション領域に接するｐ型領域より浅くしたものであり、
ターミネーション領域にのみ該ｎ- 層を設けたものであ
る。
【００１１】表面側にｎ層より低濃度のｎ- 層を設けた
ため、表面におけるｎ側の空乏層幅は長くなり、素子内
部の最大電界強度が２ＭｅＶ／cmであっても、表面の電
界強度を１ＭｅＶ／cm未満に抑制することが可能とな
る。
ため、表面におけるｎ側の空乏層幅は長くなり、素子内
部の最大電界強度が２ＭｅＶ／cmであっても、表面の電
界強度を１ＭｅＶ／cm未満に抑制することが可能とな
る。
【００１２】さらにｎ- 層とｎ層の不純物濃度比として
１：２より小さくすることにより、ｎ側の空乏層幅を２
倍以上に延ばすことにより、表面の電界強度を１ＭｅＶ
／cm未満にまで、さらにはＳｉ／ＳｉＯ2 界面と同程度
まで低減できる。上記不純物濃度比は、抵抗比では逆に
２：１より大きくすることに対応する。
１：２より小さくすることにより、ｎ側の空乏層幅を２
倍以上に延ばすことにより、表面の電界強度を１ＭｅＶ
／cm未満にまで、さらにはＳｉ／ＳｉＯ2 界面と同程度
まで低減できる。上記不純物濃度比は、抵抗比では逆に
２：１より大きくすることに対応する。
【００１３】一方、ｎ- 層は抵抗がｎ層より大きいた
め、ドリフト領域もしくはチャネル領域におけるｎ- 層
は、オン抵抗の増大となり、素子特性の悪化を招く。本
発明ではｎ- 層をｎ層より薄くすることにより、特性の
悪化を少なくすることができる。さらには、トランジス
タにおいてはソースｎ+ より薄く、さらにはターミネー
ションに接するｐ型領域より浅く、ダイオードにおいて
は高濃度ｐ+ 層より浅くすることにより、チャネルもし
くはドリフト領域に実質的にｎ- 層が存在しない構造と
し、素子特性の悪化をなくすることができる。
め、ドリフト領域もしくはチャネル領域におけるｎ- 層
は、オン抵抗の増大となり、素子特性の悪化を招く。本
発明ではｎ- 層をｎ層より薄くすることにより、特性の
悪化を少なくすることができる。さらには、トランジス
タにおいてはソースｎ+ より薄く、さらにはターミネー
ションに接するｐ型領域より浅く、ダイオードにおいて
は高濃度ｐ+ 層より浅くすることにより、チャネルもし
くはドリフト領域に実質的にｎ- 層が存在しない構造と
し、素子特性の悪化をなくすることができる。
【００１４】なお、各半導層は導電型を逆にしても、す
なわちｐ型をｎ型に替え、ｎ型をｐ型に替えても、同じ
作用，効果が有る。
なわちｐ型をｎ型に替え、ｎ型をｐ型に替えても、同じ
作用，効果が有る。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例を開示しな
がら詳細に説明する。
がら詳細に説明する。
【００１６】図１は本発明の第１の実施例であり、Ｓｉ
Ｃ ｐ+ ／ｎダイオードの端部構造を示す略式断面図で
ある。図において１１はカソード領域である高濃度ｎ+
基板、１２はｎ型エピ層、１３はｎ型エピ層に続いてエ
ピ成長された低濃度ｎ- 層、２１はアノード領域である
ｐ+ 領域、２２と２３は濃度が順に低くなるｐ型JTE領
域、４１はｎ+ チャネルストッパー、３２はカソード電
極、３１はアノード電極、４２はフィールドプレートで
ある。
Ｃ ｐ+ ／ｎダイオードの端部構造を示す略式断面図で
ある。図において１１はカソード領域である高濃度ｎ+
基板、１２はｎ型エピ層、１３はｎ型エピ層に続いてエ
ピ成長された低濃度ｎ- 層、２１はアノード領域である
ｐ+ 領域、２２と２３は濃度が順に低くなるｐ型JTE領
域、４１はｎ+ チャネルストッパー、３２はカソード電
極、３１はアノード電極、４２はフィールドプレートで
ある。
【００１７】本実施例においてｎ型エピ層１２の濃度Ｎ
Ｄは、所定の耐圧が得られる値を有する。本実施例で
は、５０００Ｖ耐圧を得るため、ＮＤ＝１×１０15／cm
3 とした。尚、「＾」の記号はべき乗を示し、１０15は
１０の１５乗を意味する。また、エピ層１３の厚みは５
０μｍとした。電界緩和ｎ- 層１３はエピ成長により形
成され、濃度は２×１０15／cm3、厚みは１.５μｍであ
る。ｐ型領域２１，２２，２３はイオン注入法で形成さ
れ、接合深さは１.２μｍ であり、ｎ- 層１３より浅い
構造である。
Ｄは、所定の耐圧が得られる値を有する。本実施例で
は、５０００Ｖ耐圧を得るため、ＮＤ＝１×１０15／cm
3 とした。尚、「＾」の記号はべき乗を示し、１０15は
１０の１５乗を意味する。また、エピ層１３の厚みは５
０μｍとした。電界緩和ｎ- 層１３はエピ成長により形
成され、濃度は２×１０15／cm3、厚みは１.５μｍであ
る。ｐ型領域２１，２２，２３はイオン注入法で形成さ
れ、接合深さは１.２μｍ であり、ｎ- 層１３より浅い
構造である。
【００１８】ターミネーションにおけるｎ側領域表面の
濃度を所定の耐圧が得られる濃度の１／２としているの
で、空乏層幅は２倍になり、かつ接合部の電界強度を１
／２にすることができ、高温においても絶縁破壊するこ
とはなくなった。
濃度を所定の耐圧が得られる濃度の１／２としているの
で、空乏層幅は２倍になり、かつ接合部の電界強度を１
／２にすることができ、高温においても絶縁破壊するこ
とはなくなった。
【００１９】本実施例ではｐ+／ｎ ダイオード（ＰＮ
Ｄ）の場合で説明したが、本発明はこれに限ることはな
く、２１をガードリングとし、図示していない領域でア
ノード電極３１がｎ- 層１３でショットキー接合するシ
ョットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）や、該ショット
キー接合領域に数μｍ程度の幅の帯状ｐ+ を多数配置し
たＰＮＤとＳＢＤの複合素子である、静電誘導型ダイオ
ード（ＳＩＤ）でも同様の効果を有する。
Ｄ）の場合で説明したが、本発明はこれに限ることはな
く、２１をガードリングとし、図示していない領域でア
ノード電極３１がｎ- 層１３でショットキー接合するシ
ョットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）や、該ショット
キー接合領域に数μｍ程度の幅の帯状ｐ+ を多数配置し
たＰＮＤとＳＢＤの複合素子である、静電誘導型ダイオ
ード（ＳＩＤ）でも同様の効果を有する。
【００２０】図３は本発明の第２の実施例であり、Ｓｉ
Ｃ ＰＮＤの端部構造を示す略式断面図であり、ＦＬＲ
（Field Limitting Ring）との組合せの場合である。図
において２１はアノードｐ+ とガードリングを兼用した
ものでる。２４はリング状ｐ型のＦＬＲであり、ｎ- 層
１３より浅い構造である。本実施例では、ＦＬＲをチャ
ネルストッパー４１との間に２本配置されている。また
各ＦＬＲにはフィールドプレート４２が形成されてい
る。
Ｃ ＰＮＤの端部構造を示す略式断面図であり、ＦＬＲ
（Field Limitting Ring）との組合せの場合である。図
において２１はアノードｐ+ とガードリングを兼用した
ものでる。２４はリング状ｐ型のＦＬＲであり、ｎ- 層
１３より浅い構造である。本実施例では、ＦＬＲをチャ
ネルストッパー４１との間に２本配置されている。また
各ＦＬＲにはフィールドプレート４２が形成されてい
る。
【００２１】実施例１と同様、ｎ- 層１３の濃度をｎ型
エピ層１２の１／２とすることにより、ＦＬＲの空乏層
伸長効果が拡大し、ｐ+ 領域２１との表面接合における
電界は大幅に緩和され、高温においても所定の耐圧を得
ることができる。
エピ層１２の１／２とすることにより、ＦＬＲの空乏層
伸長効果が拡大し、ｐ+ 領域２１との表面接合における
電界は大幅に緩和され、高温においても所定の耐圧を得
ることができる。
【００２２】本発明がＰＮＤだけでなく、ＳＢＤやＳＩ
Ｄにも同様な効果を有するのは、実施例１と同様であ
る。
Ｄにも同様な効果を有するのは、実施例１と同様であ
る。
【００２３】図４は本発明の第３の実施例であり、ター
ミネーション構造にＦＬＲを用いたＳｉＣ ＰＮＤの端
部構造を示す略式断面図である。本実施例が上記実施例
２と異なる点は、ガードリング兼ｐ+ 領域２１がｎ- 層
１３より深く形成したことである。これによりドリフト
領域であるｐ+ 領域２１下側の領域には高抵抗であるｎ
- 層１３がないため、オン抵抗に対する悪影響がないと
いう利点がある。一方、実施例２と同様、ターミネーシ
ョン領域にｎ- 層１３を形成したことにより、ＦＬＲの
空乏層伸長効果が拡大し、ｐ+ 領域２１との表面接合に
おける電界は大幅に緩和され、高温においても所定の耐
圧を得ることができる。すなわち、オン特性へ影響を与
えることなく、電界強度を緩和することができ、高温に
おいても所定の耐圧を達成できた。
ミネーション構造にＦＬＲを用いたＳｉＣ ＰＮＤの端
部構造を示す略式断面図である。本実施例が上記実施例
２と異なる点は、ガードリング兼ｐ+ 領域２１がｎ- 層
１３より深く形成したことである。これによりドリフト
領域であるｐ+ 領域２１下側の領域には高抵抗であるｎ
- 層１３がないため、オン抵抗に対する悪影響がないと
いう利点がある。一方、実施例２と同様、ターミネーシ
ョン領域にｎ- 層１３を形成したことにより、ＦＬＲの
空乏層伸長効果が拡大し、ｐ+ 領域２１との表面接合に
おける電界は大幅に緩和され、高温においても所定の耐
圧を得ることができる。すなわち、オン特性へ影響を与
えることなく、電界強度を緩和することができ、高温に
おいても所定の耐圧を達成できた。
【００２４】ｎ- 層１３をエピ成長で形成すると、ＳＢ
ＤやＳＩＤではガードリング２１の内側にも高抵抗層で
あるｎ- 層１３が形成されることになる。これを防ぐた
め、ＳＢＤやＳＩＤでは、ｎ型エピ層１２のターミネー
ション領域に、ｎ型エピ層１２より低濃度のｐ型不純物
を選択的にイオン注入することより、該注入領域の正味
のｎ型不純物濃度を低減させ、ｎ- 層を形成した。本方
法により、ガードリング２１の内側には高抵抗層が形成
されないようにしたため、ＰＮＤと同様オン特性へ影響
を与えることなく、高温においても所定の高耐圧を達成
できた。
ＤやＳＩＤではガードリング２１の内側にも高抵抗層で
あるｎ- 層１３が形成されることになる。これを防ぐた
め、ＳＢＤやＳＩＤでは、ｎ型エピ層１２のターミネー
ション領域に、ｎ型エピ層１２より低濃度のｐ型不純物
を選択的にイオン注入することより、該注入領域の正味
のｎ型不純物濃度を低減させ、ｎ- 層を形成した。本方
法により、ガードリング２１の内側には高抵抗層が形成
されないようにしたため、ＰＮＤと同様オン特性へ影響
を与えることなく、高温においても所定の高耐圧を達成
できた。
【００２５】上記実施例１から実施例３ではドリフト層
をｎ型としたダイオードの場合の説明であるが、本発明
はこれに限ることはなく、ドリフト層をｐ型としたダイ
オードの場合でも同様である。
をｎ型としたダイオードの場合の説明であるが、本発明
はこれに限ることはなく、ドリフト層をｐ型としたダイ
オードの場合でも同様である。
【００２６】図５は本発明の第４の実施例であり、埋込
み型接合ＦＥＴ（Field EffectTramsistor、電界効果ト
ランジスタ）を示す略式断面図である。図において１１
はドレイン領域となる高濃度ｎ+ 基板、１２はドリフト
層となるｎ型エピ層、１３は不純物濃度がｎ型エピ層１
２の１／２であるｎ- 層、１４はソースｎ+ 領域、２４
はリング状ｐ+ ＦＬＲ、２５はガードリング兼ゲートｐ
+ 領域、２６は表面側ゲートｐ+ 領域、２７は埋込みゲ
ートｐ+ 領域、３３はドレイン電極、３４はソース電
極、３５はゲート電極、４１はリング状ｎ+ チャネルス
トッパー、４２はフィールドプレートである。埋込みゲ
ートｐ+ 領域２７は図示していない領域で表面側ゲート
ｐ+ 領域２６とｎエピ層１２を介することなく直接接触
され、電気的に浮いている状態が生じないようになって
いる。
み型接合ＦＥＴ（Field EffectTramsistor、電界効果ト
ランジスタ）を示す略式断面図である。図において１１
はドレイン領域となる高濃度ｎ+ 基板、１２はドリフト
層となるｎ型エピ層、１３は不純物濃度がｎ型エピ層１
２の１／２であるｎ- 層、１４はソースｎ+ 領域、２４
はリング状ｐ+ ＦＬＲ、２５はガードリング兼ゲートｐ
+ 領域、２６は表面側ゲートｐ+ 領域、２７は埋込みゲ
ートｐ+ 領域、３３はドレイン電極、３４はソース電
極、３５はゲート電極、４１はリング状ｎ+ チャネルス
トッパー、４２はフィールドプレートである。埋込みゲ
ートｐ+ 領域２７は図示していない領域で表面側ゲート
ｐ+ 領域２６とｎエピ層１２を介することなく直接接触
され、電気的に浮いている状態が生じないようになって
いる。
【００２７】本実施例における埋込み型接合ＦＥＴの特
徴は、ｎ- 層１３をソースｎ+ 領域１４より浅くしたこ
とである。チャネルは、ソースｎ+ 領域１４及び表面側
ゲートｐ+ 領域２６と埋込みｐ+ 領域２７との間に形成
され、導通状態における電流通路となる。本実施例では
ｎ- 層１３の厚さをソースｎ+ 領域１４より浅くしてい
るため、チャネルに高抵抗領域が現れず、オン特性を損
なうことなく、ダイオードの場合と同様、ｎ- 層の導入
によりターミネーション領域の電界強度を緩和でき、高
温においても所定の耐圧を達成できた。
徴は、ｎ- 層１３をソースｎ+ 領域１４より浅くしたこ
とである。チャネルは、ソースｎ+ 領域１４及び表面側
ゲートｐ+ 領域２６と埋込みｐ+ 領域２７との間に形成
され、導通状態における電流通路となる。本実施例では
ｎ- 層１３の厚さをソースｎ+ 領域１４より浅くしてい
るため、チャネルに高抵抗領域が現れず、オン特性を損
なうことなく、ダイオードの場合と同様、ｎ- 層の導入
によりターミネーション領域の電界強度を緩和でき、高
温においても所定の耐圧を達成できた。
【００２８】図６は本発明の第５の実施例であり、プレ
ーナ型接合ＦＥＴを示す略式断面図である。本実施例に
おけるＦＥＴでは、ターミネーション側ではガードリン
グとなるゲートｐ+ 領域２５の間であり、かつソースｎ
+ 領域１４の下にチャネルは形成される。上記実施例５
と同様、ｎ型エピ層１２より低濃度のｎ- 層１３をソー
スｎ+ 領域より浅くしているため、チャネルに高抵抗領
域が現れず、オン特性を損なうことなく、高温において
も所定の耐圧を達成できた。
ーナ型接合ＦＥＴを示す略式断面図である。本実施例に
おけるＦＥＴでは、ターミネーション側ではガードリン
グとなるゲートｐ+ 領域２５の間であり、かつソースｎ
+ 領域１４の下にチャネルは形成される。上記実施例５
と同様、ｎ型エピ層１２より低濃度のｎ- 層１３をソー
スｎ+ 領域より浅くしているため、チャネルに高抵抗領
域が現れず、オン特性を損なうことなく、高温において
も所定の耐圧を達成できた。
【００２９】尚、本実施例並びに実施例５において、ｎ
- 層１３はｎ型エピ層１２に引き続き、エピタキシャル
により形成されている。
- 層１３はｎ型エピ層１２に引き続き、エピタキシャル
により形成されている。
【００３０】図７は本発明の第６の実施例であり、トレ
ンチ型MOSFETを示す略式断面図である。図において２８
はガードリング兼ｐベース領域、４０はＭＯＳ界面を形
成するための酸化膜である。
ンチ型MOSFETを示す略式断面図である。図において２８
はガードリング兼ｐベース領域、４０はＭＯＳ界面を形
成するための酸化膜である。
【００３１】本実施例におけるトレンチ型MOSFETの特徴
は、ｎ- 層１３をｐベース領域２８より浅くしたことで
ある。ｐ型領域２８において、酸化膜４０との界面近傍
がｎ型に反転することにより、チャネルが、ｐ+ 領域２
８のトレンチ側壁部に形成される。電流はソースｎ+ 領
域１４からチャネルであるｐ型領域２８の反転層である
トレンチ側壁部を通り、ドリフト層であるｎ型エピ層１
２からドレイン領域であるｎ+ 基板１１に至る。本実施
例ではｎ型エピ層１２より低濃度のｎ- 層１３の厚さを
ｐ+ 領域２８より浅くしているため、ドリフト層に高抵
抗領域が現れず、オン特性を損なうことなく、高温にお
いても所定の耐圧を達成できた。
は、ｎ- 層１３をｐベース領域２８より浅くしたことで
ある。ｐ型領域２８において、酸化膜４０との界面近傍
がｎ型に反転することにより、チャネルが、ｐ+ 領域２
８のトレンチ側壁部に形成される。電流はソースｎ+ 領
域１４からチャネルであるｐ型領域２８の反転層である
トレンチ側壁部を通り、ドリフト層であるｎ型エピ層１
２からドレイン領域であるｎ+ 基板１１に至る。本実施
例ではｎ型エピ層１２より低濃度のｎ- 層１３の厚さを
ｐ+ 領域２８より浅くしているため、ドリフト層に高抵
抗領域が現れず、オン特性を損なうことなく、高温にお
いても所定の耐圧を達成できた。
【００３２】図８は本発明の第７の実施例であり、プレ
ーナ型MOSFETを示す略式断面図である。プレーナ型の場
合、ゲート酸化膜は表面に形成されるため、チャネルで
あるｎ型反転層はｐ型ベース領域の表面部に形成され
る。チャネルから出た電流はドリフト層の酸化膜との界
面付近を経由して、ｎ型エピ層に流れ込む。従ってプレ
ーナ型MOSFETの場合、ｎ- 層１３の厚みを規定しても酸
化膜４０の下にｎ- 層が現れるため、オン抵抗への影響
が生ずることになる。これを防ぐため本実施例では、不
純物濃度をｎ型エピ層の１／２以下としたｎ- 層１３
を、ｐ型領域２８の外側のターミネーション領域にのみ
形成した。形成方法は、低濃度のｐ型不純物をイオン注
入によりターミネーション領域に選択的に注入し、注入
したｐ型不純物の補償効果により、正味のｎ型不純物濃
度がｎ型エピ層の１／２以下になるようにした。正味の
ｎ型不純物濃度はイオン注入における制御性から、１／
１０が下限であった。これを下回るように注入ｐ型不純
物濃度を上げると、ばらつきによりターミネーション表
面がｐ型に反転することがあった。尚、注入ｐ型不純物
の深さは、実施例６と同様、ｐ型領域２８より浅くし
た。これにより、上記実施例と同様、ドリフト層に高抵
抗領域が現れず、オン特性を損なうことなく、高温にお
いても所定の耐圧を達成できた。
ーナ型MOSFETを示す略式断面図である。プレーナ型の場
合、ゲート酸化膜は表面に形成されるため、チャネルで
あるｎ型反転層はｐ型ベース領域の表面部に形成され
る。チャネルから出た電流はドリフト層の酸化膜との界
面付近を経由して、ｎ型エピ層に流れ込む。従ってプレ
ーナ型MOSFETの場合、ｎ- 層１３の厚みを規定しても酸
化膜４０の下にｎ- 層が現れるため、オン抵抗への影響
が生ずることになる。これを防ぐため本実施例では、不
純物濃度をｎ型エピ層の１／２以下としたｎ- 層１３
を、ｐ型領域２８の外側のターミネーション領域にのみ
形成した。形成方法は、低濃度のｐ型不純物をイオン注
入によりターミネーション領域に選択的に注入し、注入
したｐ型不純物の補償効果により、正味のｎ型不純物濃
度がｎ型エピ層の１／２以下になるようにした。正味の
ｎ型不純物濃度はイオン注入における制御性から、１／
１０が下限であった。これを下回るように注入ｐ型不純
物濃度を上げると、ばらつきによりターミネーション表
面がｐ型に反転することがあった。尚、注入ｐ型不純物
の深さは、実施例６と同様、ｐ型領域２８より浅くし
た。これにより、上記実施例と同様、ドリフト層に高抵
抗領域が現れず、オン特性を損なうことなく、高温にお
いても所定の耐圧を達成できた。
【００３３】本実施例の構造は他のＦＥＴにも転用で
き、同様の効果を生ずる。
き、同様の効果を生ずる。
【００３４】図９は本発明の第８の実施例であり、埋込
み型接合ＦＥＴを示す略式断面図である。本実施例は、
実施例４で述べた埋込み型接合ＦＥＴにおいて、上記実
施例７と同様、低濃度ｎ- 層１３をターミネーション領
域にのみ形成し、かつガードリング兼ゲートｐ+ 領域よ
り浅くしたものである。ｎ- 層１３の濃度も実施例７と
同様ｎ型エピ層１２の１／２以下とした。本実施例にお
いても、オン特性を損なうことなく、高温においても所
定の耐圧を達成できた。
み型接合ＦＥＴを示す略式断面図である。本実施例は、
実施例４で述べた埋込み型接合ＦＥＴにおいて、上記実
施例７と同様、低濃度ｎ- 層１３をターミネーション領
域にのみ形成し、かつガードリング兼ゲートｐ+ 領域よ
り浅くしたものである。ｎ- 層１３の濃度も実施例７と
同様ｎ型エピ層１２の１／２以下とした。本実施例にお
いても、オン特性を損なうことなく、高温においても所
定の耐圧を達成できた。
【００３５】図１０は本発明の第９の実施例であり、プ
レーナ型接合ＦＥＴを示す略式断面図である。本実施例
は、実施例４で述べたプレーナ型接合ＦＥＴにおいて、
上記実施例７と同様、低濃度ｎ- 層１３をターミネーシ
ョン領域にのみ形成し、かつガードリング兼ゲートｐ+
領域より浅くしたものである。ｎ- 層１３の濃度も実施
例７と同様ｎ型エピ層１２の１／２以下とした。本実施
例においても、オン特性を損なうことなく、高温におい
ても所定の耐圧を達成できた図１１は本発明の第１０の
実施例であり、MESFETを示す略式断面図である。図にお
いて１５はｎ型蓄積層であり、３７はｎ型半導体とショ
ットキー接合を形成するゲート電極である。本実施例の
場合、チャネルであるｎ型蓄積層１５はｐ型領域２８の
表面部に形成される。チャネルから出た電流は実施例７
におけるプレーナ型MOSFETと同様、ドリフト層のゲート
電極３７との界面付近を経由して、ｎ型エピ層１２に流
れ込む。従ってプレーナ型MOSFETと同様、ｎ- 層１３の
厚みを規定してもゲート電極３７の下にｎ- 層が現れる
ため、オン抵抗への影響が生ずることになる。これを防
ぐため本実施例では、不純物濃度をｎ型エピ層の１／２
以下としたｎ- 層１３を、ｐ型領域２８の外側のターミ
ネーション領域にのみ形成し、ｐ型領域２８より浅くし
た。これにより、ドリフト層に高抵抗領域が現れず、オ
ン特性を損なうことなく、高温においても所定の耐圧を
達成できた。
レーナ型接合ＦＥＴを示す略式断面図である。本実施例
は、実施例４で述べたプレーナ型接合ＦＥＴにおいて、
上記実施例７と同様、低濃度ｎ- 層１３をターミネーシ
ョン領域にのみ形成し、かつガードリング兼ゲートｐ+
領域より浅くしたものである。ｎ- 層１３の濃度も実施
例７と同様ｎ型エピ層１２の１／２以下とした。本実施
例においても、オン特性を損なうことなく、高温におい
ても所定の耐圧を達成できた図１１は本発明の第１０の
実施例であり、MESFETを示す略式断面図である。図にお
いて１５はｎ型蓄積層であり、３７はｎ型半導体とショ
ットキー接合を形成するゲート電極である。本実施例の
場合、チャネルであるｎ型蓄積層１５はｐ型領域２８の
表面部に形成される。チャネルから出た電流は実施例７
におけるプレーナ型MOSFETと同様、ドリフト層のゲート
電極３７との界面付近を経由して、ｎ型エピ層１２に流
れ込む。従ってプレーナ型MOSFETと同様、ｎ- 層１３の
厚みを規定してもゲート電極３７の下にｎ- 層が現れる
ため、オン抵抗への影響が生ずることになる。これを防
ぐため本実施例では、不純物濃度をｎ型エピ層の１／２
以下としたｎ- 層１３を、ｐ型領域２８の外側のターミ
ネーション領域にのみ形成し、ｐ型領域２８より浅くし
た。これにより、ドリフト層に高抵抗領域が現れず、オ
ン特性を損なうことなく、高温においても所定の耐圧を
達成できた。
【００３６】上記実施例４から実施例１０ではｎ型チャ
ネルＦＥＴの場合の説明であるが、本発明はこれに限る
ことはなく、ｐ型チャネルＦＥＴの場合でも同様であ
る。さらに本発明はＦＥＴだけでなく、バイポーラトラ
ンジスタや絶縁ゲートトランジスタ（ＩＧＢＴ）や、サ
イリスタ等へも転用でき、同様の効果を生ずる。
ネルＦＥＴの場合の説明であるが、本発明はこれに限る
ことはなく、ｐ型チャネルＦＥＴの場合でも同様であ
る。さらに本発明はＦＥＴだけでなく、バイポーラトラ
ンジスタや絶縁ゲートトランジスタ（ＩＧＢＴ）や、サ
イリスタ等へも転用でき、同様の効果を生ずる。
【００３７】図１２は本発明の第１１の実施例であり、
本発明を適用したダイオード並びにＦＥＴを使った電力
変換器の一例であるインバータ装置の略式回路図であ
る。図において５１，５２，５３，５４，５５，５６は
本発明によるＦＥＴであり、MOSFETの例を示す。また６
１，６２，６３，６４，６５，６６は本発明によるダイ
オードである。MOSFET５１と５２，５３と５４，５５と
５６をそれぞれ一組とし各組における２個のMOSFETを相
補的に、かつ各組を独立にスイッチング動作させること
により、入力端１と入力端２に入力された電流・電圧の
入力を、独立に出力１から出力３までの出力を得るもの
である。具体的には入力として直流電圧とし、出力を三
相交流とする三相インバータである。その場合出力端１
から出力端３には三相誘導器などの負荷が接続される。
本発明によるダイオード並びにトランジスタは、ＳｉＣ
等のアバランシェ降伏電界がＳｉより大きな半導体を用
いた場合であっても、オン特性への影響を与えることな
く高温下においても高耐圧を達成できるので、本発明を
適用した半導体をインバータ装置に用いることにより、
該半導体装置が発生する損失を低減でき、加えて高温に
おいても信頼性が高いために冷却系を著しく簡素化でき
た。これによりインバータ装置を用いたシステムのコス
ト低減，効率向上を達成できた。
本発明を適用したダイオード並びにＦＥＴを使った電力
変換器の一例であるインバータ装置の略式回路図であ
る。図において５１，５２，５３，５４，５５，５６は
本発明によるＦＥＴであり、MOSFETの例を示す。また６
１，６２，６３，６４，６５，６６は本発明によるダイ
オードである。MOSFET５１と５２，５３と５４，５５と
５６をそれぞれ一組とし各組における２個のMOSFETを相
補的に、かつ各組を独立にスイッチング動作させること
により、入力端１と入力端２に入力された電流・電圧の
入力を、独立に出力１から出力３までの出力を得るもの
である。具体的には入力として直流電圧とし、出力を三
相交流とする三相インバータである。その場合出力端１
から出力端３には三相誘導器などの負荷が接続される。
本発明によるダイオード並びにトランジスタは、ＳｉＣ
等のアバランシェ降伏電界がＳｉより大きな半導体を用
いた場合であっても、オン特性への影響を与えることな
く高温下においても高耐圧を達成できるので、本発明を
適用した半導体をインバータ装置に用いることにより、
該半導体装置が発生する損失を低減でき、加えて高温に
おいても信頼性が高いために冷却系を著しく簡素化でき
た。これによりインバータ装置を用いたシステムのコス
ト低減，効率向上を達成できた。
【００３８】以上、各上記実施例においてはＳｉＣ素子
の場合で説明したが、本発明はこれにとどまることはな
く、他のアバランシェ降伏電界がＳｉより大きな半導体
を用いた場合にも適用でき、窒化ガリウム（ＧａＮ）等
のワイドギャップ半導体にも有用である。
の場合で説明したが、本発明はこれにとどまることはな
く、他のアバランシェ降伏電界がＳｉより大きな半導体
を用いた場合にも適用でき、窒化ガリウム（ＧａＮ）等
のワイドギャップ半導体にも有用である。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、ターミネーション領域
における最大電界強度を低減できるので、高温動作にお
いても信頼性を確保することができるという効果を持
つ。
における最大電界強度を低減できるので、高温動作にお
いても信頼性を確保することができるという効果を持
つ。
【図１】本発明の第１の実施例であるターミネーション
構造を示す略式断面図。
構造を示す略式断面図。
【図２】従来のターミネーション構造を示す略式断面
図。
図。
【図３】本発明の第２の実施例であるターミネーション
構造を示す略式断面図。
構造を示す略式断面図。
【図４】本発明の第３の実施例であるターミネーション
構造を示す略式断面図。
構造を示す略式断面図。
【図５】本発明の第４の実施例である埋込み型接合ＦＥ
Ｔの構造を示す略式断面図。
Ｔの構造を示す略式断面図。
【図６】本発明の第５の実施例であるプレーナ型接合Ｆ
ＥＴの構造を示す略式断面図。
ＥＴの構造を示す略式断面図。
【図７】本発明の第６の実施例であるトレンチ型MOSFET
の構造を示す略式断面図。
の構造を示す略式断面図。
【図８】本発明の第７の実施例であるプレーナ型MOSFET
の構造を示す略式断面図。
の構造を示す略式断面図。
【図９】本発明の第８の実施例である埋込み型接合ＦＥ
Ｔの構造を示す略式断面図。
Ｔの構造を示す略式断面図。
【図１０】本発明の第９の実施例であるプレーナ型接合
ＦＥＴの構造を示す略式断面図。
ＦＥＴの構造を示す略式断面図。
【図１１】本発明の第１０の実施例であるMESFETの構造
を示す略式断面図。
を示す略式断面図。
【図１２】本発明を適用したダイオード並びにＦＥＴを
使ったインバータ装置の一実施例の主回路。
使ったインバータ装置の一実施例の主回路。
１１…ｎ+ 基板、１２…ｎ型エピタキシャル層、１３…
ｎ- 層、１４…ソースｎ+ 領域、１５…ｎ型蓄積層、２
１…ｐ+ 領域、２２…ｐ型領域、２３…ｐ- 領域、２４
…ｐ型ＦＬＲ、２５…ガードリングもしくはゲートｐ+
領域、２６…ゲートｐ+ 領域、２７…埋め込みゲートｐ
型領域、２８…ガードリングもしくはｐベース、３１…
アノード電極、３２…カソード電極、３３…ドレイン電
極、３４…ソース電極、３５…ゲート電極、３６…ＭＯ
Ｓゲート電極、３７…ショットキーゲート電極、４０…
酸化膜、４１…ｎ型チャネルストッパー、４２…フィー
ルドプレート、５１，５２，５３，５４，５５，５６…
本発明によるＦＥＴ、６１，６２，６３，６４，６５，
６６…本発明によるダイオード。
ｎ- 層、１４…ソースｎ+ 領域、１５…ｎ型蓄積層、２
１…ｐ+ 領域、２２…ｐ型領域、２３…ｐ- 領域、２４
…ｐ型ＦＬＲ、２５…ガードリングもしくはゲートｐ+
領域、２６…ゲートｐ+ 領域、２７…埋め込みゲートｐ
型領域、２８…ガードリングもしくはｐベース、３１…
アノード電極、３２…カソード電極、３３…ドレイン電
極、３４…ソース電極、３５…ゲート電極、３６…ＭＯ
Ｓゲート電極、３７…ショットキーゲート電極、４０…
酸化膜、４１…ｎ型チャネルストッパー、４２…フィー
ルドプレート、５１，５２，５３，５４，５５，５６…
本発明によるＦＥＴ、６１，６２，６３，６４，６５，
６６…本発明によるダイオード。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/80 Ｖ 29/91 Ｄ (72)発明者 大野 俊之 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 及川 三郎 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 4M104 AA10 CC01 CC03 FF10 GG09 GG11 GG12 5F102 FA01 GA14 GB04 GC07 GC08 GD01 GD04 GD10 GJ02
Claims (8)
- 【請求項１】一対の主表面を有し、低不純物濃度の第一
導電型の基体と、前記基体の第一主表面に形成された第
一もしくは第二導電型を有しかつ基体より低抵抗の第一
層と、前記第一層の表面に形成された第一電極と、前記
基体の第二主表面に形成されかつ基体と異なる導電型の
第二領域と、前記第二領域に形成された第二電極から少
なくとも構成されており、かつ前記第二領域の周辺を取
り囲むターミネーション領域から成る半導体装置におい
て、前記基体は装置に印加可能な最大電圧を達成するよ
うに設定された不純物濃度から成る第三層と、前記第三
層と同一の導電型を有し、かつ第三層より高抵抗である
第四層とから成り、さらにかつ上記ターミネーション領
域が上記第四層の表面に形成されていることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項２】一対の主表面を有し、低不純物濃度の第一
導電型の基体と、前記基体の第一主表面に形成された第
一もしくは第二導電型を有しかつ基体より低抵抗の第一
層と、前記第一層の表面に形成された第一電極と、前記
基体の第二主表面に形成されかつ基体と異なる導電型の
第二領域と、前記第二領域に形成された制御電極である
第二電極と、前記基体の第二主表面に形成された第一導
電型の高不純物濃度の第五領域と、前記第五領域に形成
された第三電極から構成されており、かつ前記第五電極
が形成されていない第二領域の周辺を取り囲むターミネ
ーション領域から成る半導体装置において、前記基体は
装置に印加可能な最大電圧を達成するように設定された
不純物濃度から成る第三層と、前記第四層と同一の導電
型を有し、かつ第四層より高抵抗である第四層とから成
り、さらにかつ上記ターミネーション領域が上記第四層
の表面に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】請求項１及び請求項２において、前記第三
層と前記第四層の抵抗比は１：２より大きいことを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項４】請求項１及び請求項２において、前記第三
層と前記第四層の不純物濃度比は２：１より小さいこと
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項５】請求項１及び請求項２において、前記第四
層の厚さが前記第二領域より薄いことを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項６】請求項２において、前記第四層の厚さが前
記第五層より薄いことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項７】請求項１及び請求項２において、前記第四
層が前記ターミネーション領域にのみ形成されているこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項８】一対の直流端子と、相数に等しい個数の交
流端子と直流端子と交流端子の間に接続される半導体素
子とを備える電力変換器において、半導体素子に請求項
１から請求項７のうち少なくとも一つを実施したことを
特徴とする電力変換器。
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