JP4843843B2 - 超接合半導体素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、オン状態では電流を流すとともにオフ状態では空乏化する並列pn層からなる特殊な構造を備える、MOSFET(絶縁ゲート電界効果トランジスタ)、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、バイポーラトランジスタ、ダイオード等の半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子は、半導体基板の片面に電極部をもち、主面に平行な方向に電流が流れる横型素子と、両主面に電極をもち、主面に垂直な方向に電流が流れる縦型素子とに大別される。
縦型半導体素子は、オン時にドリフト電流が流れる方向と、オフ時の逆バイアス電圧による空乏層が延びる方向とが同じである。例えば、通常のプレーナ型のnチャネル縦型MOSFETの場合、高抵抗のnドリフト層の部分は、MOSFETがオン状態の時は縦方向にドリフト電流を流す領域として働き、オフ状態の時は空乏化して耐圧を高める。
【0003】
この高抵抗のnドリフト層の電流経路を短くすることは、電流に対するドリフト抵抗が低くなるのでMOSFETの実質的なオン抵抗を下げる効果に繋がるものの、逆にpベース領域とnドリフト領域との間のpn接合から進行するドレイン−ベース間空乏層が広がる幅が狭く、シリコンの臨界電界強度に速く達するため、耐圧が低下してしまう。逆に耐圧の高い半導体装置では、nドリフト層が厚くなるため必然的にオン抵抗が大きくなり、損失が増すことになる。すなわちオン抵抗と耐圧との間にトレードオフ関係がある。
【0004】
このトレードオフ関係は、IGBT、バイポーラトランジスタ、ダイオード等の半導体素子においても同様に成立することが知られている。また、この問題は、オン時にドリフト電流が流れる方向と、オフ時の逆バイアスによる空乏層の延びる方向が異なる横型半導体素子についても共通である。
このトレードオフ関係の問題に対する解決法として、ドリフト層を、不純物濃度を高めたn型の領域とp型の領域を交互に配置した並列pn層で構成し、オフ状態の時は空乏化して耐圧を負担するようにした構造の半導体装置が、EP0053854、USP5216275、USP5438215および特開平9−266311号公報に開示されている。
【0005】
通常のプレーナ型のnチャネル縦型MOSFETとの構造上の違いは、ドリフト部が一様・単一の導電型でなく、薄い層状のn型のドリフト領域と薄い層状のp型の仕切領域を交互に繰り返した構造の並列pn層となっている点である。
この並列pn層は、オフ状態では、不純物濃度が高くても、並列pn構造の縦方向に配向する各pn接合から空乏層がその両側の横方向に拡がり、ドリフト領域全体が空乏化するため、高耐圧化を図ることができる。
【0006】
本発明の発明者らも特開2000−40822号公報にそのような半導体素子の簡単な製造方法を開示している。
図8は、USP5216275に開示された半導体装置の一実施例である縦型MOSFETの部分断面図である。通常の縦型半導体素子では単一層とされるドリフト層12がnドリフト領域12aとp仕切り領域12bとからなる並列pn層とされている点が特徴的である。13はpウェル領域、14はn+ ソース領域、15はゲート絶縁膜、16はゲート電極、17はソース電極、18はドレイン電極である。
【0007】
このドリフト層12は例えば、n+ ドレイン層11をサブストレートとしてエピタキシャル法により、高抵抗のn型層を成長し、選択的にn+ ドレイン層11に達するトレンチをエッチングしてnドリフト領域12aとした後、更にトレンチ内にエピタキシャル法によりp型層を成長してp仕切り領域12bが形成される。
【0008】
なお本発明の発明者らは、オン状態では電流を流すとともに、オフ状態では空乏化する並列pn層からなるドリフト層を備える半導体素子を超接合半導体素子と称することとした。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の発明ではいずれも、電流の流れる活性部の並列pn層からなるドリフト層の記載がなされているのみで、通常高耐圧を実現するために活性部の外周部に設けられる耐圧構造部の記載がほとんどなされていない。実際の高耐圧半導体素子とするためには、耐圧に関する考察とそれに基づく構造設計が必要である。
【0010】
例えば、活性部と耐圧構造部の並列pn層の厚さが同じ場合には、活性部では各並列pn層に均等に電圧が印加され、空乏層が縦方向に広がり、並列pn層の厚さに比例して活性部の電界は緩和される。しかしながら耐圧構造部では、ガードリング構造やフィールドプレート構造により主面に平行な表面電界は緩和されるが、耐圧構造部内部の空乏層は活性部と比較して十分には広がらない。したがって耐圧構造部と活性部の電界を比較した場合、耐圧構造部の電界が活性部よりも密となり、耐圧構造部が臨界電界に達し、結果として耐圧は耐圧構造部で決定されてしまう。
【0011】
このような状祝では耐圧構造部で先に臨界電界に達し、耐圧構造部で発生したアバランシェ電流が、活性部の最も外側にあるp層へ集中するため、寄生トランジスタが動作しやすくなる。それゆえ超接合半導体素子の破壊を引き起こしやすくなり信頼性が保たれなくなるとともに、誘導性の負荷(以下L負荷と称する)時のアバランシェ耐量(破壊耐量)の確保が困難となる。
【0012】
このような問題に鑑み本発明の目的は、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に改善しつつ、信頼性が高く、L負荷アバランシェ耐量の向上を容易に実現しうる超接合半導体素子を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
L負荷アバランシェ耐量の向上を実現するため、以下の手段を考案した。
第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、厚さの異なる並列pn層を有し、並列pn層が厚さの薄い第一並列pn層部分と厚さの厚い第二並列pn層部分とからなり、第一並列pn層部分の周縁部に第二並列pn層部分を配置するものとする。
【0014】
並列pn層の厚さについて外周耐圧構造部よりも素子活性部を薄くすることによって、耐圧構造部が臨界電界に達する前に活性部が臨界電界に達するため、耐圧は活性部で決定される。それゆえアバランシェ電流発生部が耐圧構造部ではなく活性部となるため、活性部の外端にアバランシェ電流が集中することなく、超接合半導体素子の信頼性が向上するとともに、L負荷アバランシェ耐量が向上する。また、活性部の並列pn層の厚さが従来の並列pn層の厚さよりも薄くなるため、オン時のドリフト萌域が短くなり、オン抵抗が低減できる。
【0015】
第二並列pn層部分のピッチを第一並列pn層部分のピッチよりも狭くし、或いは、第二並列pn層部分の不純物濃度を第一並列pn層部分の不純物濃度よりも低くしてもよい。
そのようにすれば、外周の耐圧構造部での電界が活性部と比較して一層緩和されるので、活性部で先に臨界電界に達しアバランシェ電流が流れる。
【0016】
第一並列pn層部分と低抵抗層との間に、第一導電型領域を介在させるものとする。
その第一導電型領域により、空乏層の広がりが抑えられ、電界が高められる。
第一導電型領域の不純物濃度が、第一導電型ドリフト領域のそれより高濃度であるものとすれば、効率的に空乏層の広がりが抑えられる。
【0017】
更に、第二並列pn層部分の周囲に、第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を設けても良い。
その高比抵抗領域により、空乏層の広がりが促進され、耐圧構造部での電界が低減される。
第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層の周縁部に並列pn層の厚さより厚い第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を有し、高比抵抗領域の不純物濃度N D は、超接合半導体素子の耐圧をV DSS (V)としたとき、5.62×10 17 ×V DSS -1.36 (cm -3 )以下であるものとしても良い。
【0018】
その場合も並列pn層の周縁部の厚い高比抵抗領域により、空乏層の広がりが促進され、耐圧構造部での電界が低減される。
並列pn層と低抵抗層との間の第一導電型領域についても同様である。
【0019】
超接合半導体素子において、周辺の耐圧構造部の比抵抗を上記のような値にすると良いことは、DE19954351A1に開示されている。この値は並列pn層と低抵抗層との間に第一導電型領域を介在させた本発明の場合も適用できる。更に、高抵抗領域の周囲に第一導電型のチャネルストッパー領域を有するものとする。
【0020】
そのようにすれば、耐圧が安定化され、信頼性が向上する。
別の手段として、第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層は、厚さ方向で不純物濃度が異なり、
前記並列pn層からなる第一並列pn層の周縁部に第二並列pn層が配置され、前記第一並列pn層は、前記第二並列pn層の不純物濃度より高濃度である高濃度部分を有するものとする。
【0021】
例えば、少なくとも一部の第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の不純物濃度が共に第一主面側より第二主面側で高濃度になっているものとする。
具体的には、第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の両方を高濃度としても、一方を高濃度としても良い。
活性部における並列pn層の所定の領域の濃度を高くすることによって、空乏層の広がりが抑えられ、電界が高められるので、耐圧構造部が臨界電界に達する前に活性部が臨界電界に達する。
【0022】
前記並列pn層からなる第一並列pn層の周縁部に厚さ方向で不純物濃度が変化しない第二並列pn層を配置してもよい。
不純物濃度が変化しない第二並列pn層では、空乏層がより良く広がるので、電界が緩和される。それゆえアバランシェ電流発 生部が耐圧構造部ではなく活性部となるため、耐圧構造部にアバランシェ電流が集中することなく、超接合半導体素子の信頼性が向上するとともに、L負荷アバランシェ耐量が向上する。
【0023】
第二並列pn層部分のピッチを第一並列pn層部分のピッチよりも狭くし、或いは、第二並列pn層部分の不純物濃度を第一並列pn層部分の不純物濃度よりも低くしてもよい。
そのようにすれば、外周の耐圧構造部での電界が活性部と比較して一層緩和されるので、活性部で先に臨界電界に達しアバランシェ電流が流れる。
【0025】
第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層は、厚さ方向で不純物濃度が異なり、
第一並列pn層の周縁部に第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を有し、
高比抵抗領域の不純物濃度ND が、超接合半導体素子の耐圧をVDSS (V)としたとき、5.62×1017×VDSS -1.36 (cm-3)以下であるものとする。
超接合半導体素子において、周辺の耐圧構造部の比抵抗を上記のような値にすると良いことは、DE19954351A1に開示されている。この値は並列pn層と低抵抗層との間に第一導電型領域を介在させた本発明の場合も適用できる。
【0026】
更に、高比抵抗領域の周囲に第一導電型のチャネルストッパー領域を有するものとする。
そのようにすれば、耐圧が安定化され、信頼性が向上する。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお以下でnまたはpを冠記した層や領域は、それぞれ電子、正孔を多数キャリアとする層、領域を意味している。また+ は比較的高不純物濃度の、- は比較的高不純物濃度の領域をそれぞれ意味している。
【0028】
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1の縦型の超接合MOSFETの周縁部の部分断面図であり、図の左側がnチャネル型MOSFETの端である。
図1において、11は低抵抗のn+ ドレイン層、12はnドリフト領域12a、p仕切り領域12bとからなる並列pn層である。表面層には、p仕切り領域12bに接続してpウェル領域13aが形成されている。pウェル領域13aの内部にn+ ソース領域14と高濃度のp+ コンタクト領域13bとが形成されている。n+ ソース領域14とnドリフト領域12aとに挟まれたpウェル領域13aの表面上には、ゲート絶縁膜15を介して多結晶シリコンのゲート電極層16が、また、n+ ソース領域14と高濃度のp+ コンタクト領域13bの表面に共通に接触するソース電極17が設けられている。n+ ドレイン層11の裏面にはドレイン電極18が設けられている。19は表面保護および安定化のための絶縁膜であり、例えば、熱酸化膜と燐シリカガラス(PSG)からなる。ソース電極17は、図のように層間絶縁膜19を介してゲート電極層16の上に延長されることが多い。図示しない部分で、ゲート電極層16上に金属膜のゲート電極が設けられている。
【0029】
この実施例1の縦型の超接合MOSFETでは、活性部10の並列pn層12の下方に、nドリフト領域12aより不純物濃度の高いn+ ドレイン中間層21が設けられている点がポイントである。すなわち、活性部10の並列pn層12の厚さは、耐圧構造部20の並列pn層22の厚さよりも薄くなっている。活性部10の並列pn層12と耐圧構造部20の並列pn層22の幅、不純物濃度は同じである。耐圧構造部20の並列pn層22を構成するp仕切り領域を22b、nドリフト領域を22aとする。
【0030】
nドリフト領域12aとp仕切り領域12bとの平面的な形状は、例えばともにストライプ状とする。nドリフト領域12aとp仕切り領域12bとの平面的な形状は、他に一方が格子状や網状であり、他方がその中に挟まれた形状でも良い。その他多様な配置が考えられる。
例えば、700VクラスのMOSFETとして、各部の寸法および不純物濃度等は次のような値をとる。n+ ドレイン層11の比抵抗は0.01Ω・cm、厚さ350μm 、活性部の並列pn層12の厚さ40μm 、nドリフト領域12aおよびp仕切り領域12bの幅8μm (すなわち、同じ領域の中心間間隔16μm )、平均不純物濃度2×1015cm-3、pウェル領域13aの拡散深さ1μm 、表面不純物濃度3×1018cm-3、n+ ソース領域14の拡散深さ0.3μm 、表面不純物濃度1×1020cm-3、n+ ドレイン中間層11aの厚さ10μm 、不純物濃度2×1017cm-3である。耐圧構造部20の並列pn層22の厚さは50μmである。並列pn層22の幅、平均不純物濃度等は、活性部の並列pn層12と同じとする。n+ ドレイン中間層21の濃度としては1×1014cm-3〜1×1020cm-3の範囲が望ましい。
【0031】
活性部10の並列pn層12と耐圧構造部20の並列pn層22とは、例えばエピタキシャル成長により形成される。
他の製造方法として、エピタキシャル成長の前に部分的に不純物の埋め込み領域を形成しておいてから、n- 高抵抗領域をエピタキシャル成長する工程を数回繰り返した後、熱処理により拡散させて形成することもできる。
【0032】
先に述べたように、活性部と耐圧構造部に配置した並列pn層の厚さが同じ超接合半尋体素子では、活性部の並列pn層は約50Vの電圧で完全空乏化し、その後探さ方向に電界がかかるため、並列pn層の厚さに比例して活性部の電界は緩和される。一方耐圧構造部では耐圧構造部内部の空乏層は活性部と比較して十分には広がらない。したがって耐圧構造部と活性部の電界を比較した場合、耐圧構造部の電界が活性部よりも密となり、耐圧構造部が臨界電界に達し、結果として耐圧は耐圧構造部で決定されてしまう。
【0033】
これに対し、図1に示したような活性部10に配置した並列pn層12の厚さが耐圧構造部20に配置した並列pn層22の厚さよりも短い場合には、並列pn層が同じ場合と比較して、活性部10の電界を耐圧構造部20のそれよりも密にすることができるため、活性部10が耐圧構造部20よりも先に臨界電界に達する。
【0034】
したがって、活性部10で耐圧が決定されるようになり、アバランシェ耐量が向上する。それゆえ、超接合半導体素子の信頼性も向上する。
なお本実施例のMOSFETの基本的な動作機構については特開2000−40822号に記載したものと同様であるため省略する。勿論、本実施例の超接合MOSFETでは、nドリフト領域12aの不純物濃度を高くしたことと、そのことによりドリフト層12の厚さを薄くできたため、オン抵抗としては単層のnドリフト層のMOSFETに比べて、約10分の1に低減でき、しかも耐圧は十分に確保される。なお、nドリフト領域12aの幅を狭くし、不純物濃度を高くすれば、より一層のオン抵抗の低減、およびオン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係の改善が可能である。
【0035】
また図1において耐圧構造部20の並列pn層22のピッチを、活性部10の並列pn層12のピッチよりも狭くてもよい。そのようにすることで、耐圧構造部20での単位長さ当たりの空乏領域が活性部10よりも多くなるため、耐圧構造部20の電界は図1に示した耐圧構造よりも緩和される。それゆえ図1と比較して更に、活性部10で耐圧が決定されやすくなる。
【0036】
もちろん、耐圧構造部20における並列pn層22の濃度を低くしてもよい。これにより、耐圧構造部20での単位長さ当たりの空乏領域がさらに広がるので、耐圧構造部20での電界が更に緩和できる。
耐圧構造部20の並列pn層22を活性部10の並列pn層12に対して垂直に配置しても良い。もちろん、この場合でも並列pn層22のピッチを狭くすることや、その濃度を低くすることも可能である。そのようにした場合でも、上記と同様の効果が得られる。
【0037】
[実施例2]
図2は、本発明の実施例2の縦型の超接合MOSFETの周縁部の部分断面図であり、図の左側がnチャネル型MOSFETの端である。
この例でも実施例1と同様に、活性部10に配置したストライプ状の並列pn層12の厚さは耐圧構造部20のそれよりも短くなっており、活性部10の薄い並列pn層12とn+ ドレイン層11との間には、不純物濃度の高いn+ ドレイン中間層21が設けられている。
【0038】
実施例1と異なっているのは、耐圧構造部20の並列pn層22の間に高比抵抗のn- 高比抵抗層23が配置されている点である。
本実施例でも、各部の寸法および不純物濃度等は実施例1と同じような値とする。すなわち活性部10および耐圧構造部20における並列pn層12、22の幅はp 仕切り領域、nドリフト領域とも8μmであり、並列pn層のピッチとしては16μmである。活性部10の並列pn層12の厚さは40μm、耐圧構造部20の並列pn層22の厚さは50μmである。また、活性部10および耐圧構造部20のp仕切り領域、nドリフト領域の不純物濃度はともに約2×1015cm-3である。また、n+ ドレイン中間層21の厚さは約10μm であり、濃度は5×1017cm-3である。n+ ドレイン中間層の濃度としては1×1014cm-3から1×1020cm-3の範囲が望ましい。
【0039】
n- 高比抵抗層23の比抵抗は50〜200Ωcmが望ましい。
n- 高比抵抗層23の挿入により、耐圧構造部20における空乏層の広がりが促進されるため、耐圧構造部20での電界は緩和される。従ってこの実施例の場合にも図1の場合と同様に、活性部10での電界が先に臨界電界に達し、アバランシェ電流が流れる。すなわち、実施例1の場合と同様の効果が期待できる。
【0040】
また、耐圧を安定化させるために、n- 高比抵抗層23の外側のチャネルストッパー25の上に周辺電極27を設けてもよい。
[実施例3]
図3は、本発明の実施例3の縦型の超接合MOSFETの周縁部の部分断面図であり、図の左側がnチャネル型MOSFETの端である。
【0041】
この例でも、活性部10に配置したストライプ状の並列pn層12とn+ ドレイン層11との間に、nドリフト領域12aより不純物濃度の高いn+ ドレイン中間層21が設けられている。
実施例1、2と異なっているのは、耐圧構造部20に並列pn層が無く、活性部10の並列pn層12より厚さの厚い高比抵抗のn- 高抵抗領域23だけが配置されている点である。
【0042】
本実施例でも、各部の寸法および不純物濃度等は実施例1と同じような値とする。すなわち活性部10における並列pn層12の幅はp仕切り領域12b、nドリフト領域12aとも8μm であり、並列pn層12のピッチとしては16μm である。活性部10の並列pn層12の厚さは40μm 、耐圧構造部20のn- 高抵抗領域23の厚さは50μm である。また、活性部10のp仕切り領域12b、nドリフト領域12aの濃度はともに約2×1015cm-3である。また、n+ ドレイン中間層21の厚さは約10μm であり、不純物濃度は5×1017cm-3である。n+ ドレイン中間層21の濃度としては、1×1014cm-3〜1×1020cm-3の範囲が望ましい。
【0043】
耐圧構造部のn- 高比抵抗領域23の比抵抗は、50〜200Ωcmとすることが望ましい。
n- 高比抵抗領域23とすることにより、電圧印加時の耐圧構造部20における空乏層の広がりが促進されるため、耐圧構造部20での電界は緩和される。活性部10の並列pn層12の厚さが、耐圧構造部20のn- 高比抵抗層23の厚さよりも薄い場合には、活性部10の並列pn層12内の電界が、耐圧構造部20よりも密になる。そのため、活性部10が耐圧構造部20よりも先に臨界電界に達する。したがって活性部10で耐圧が決定されるようになる。
【0044】
大きなアバランシェ電流が流れたとしても、その電流は集中せず、アバランシェ耐量が向上する。それゆえ、超接合半導体素子の信頼性も向上する。
[実施例4]
図4は、本発明の実施例4の縦型の超接合MOSFETの周縁部の部分断面図であり、図の左側がnチャネル型MOSFETの端である。
【0045】
図5(a)の点線は図4のAA線、実線は図4のBB線、(b)は図4のCC線およびDD線に沿った不純物濃度分布図である。
この実施例4は、これまでの実施例1、2と異なり、活性部10と耐圧構造部20の並列pn層12、22の厚さは同じである。しかしながら、活性部10の並列pn層12の不純物濃度が探さ方向で変化している。その濃度変化は、n+ ドレイン層11に近い部分での不純物濃度が高くなっている。この不純物濃度が高くなっている部分を高濃度並列pn層24、それを構成するp+ 仕切り領域を24b、n+ ドリフト領域を24aとする。
【0046】
すなわち図5(a)において、高濃度並列pn層24の不純物濃度(BB線)は、並列pn層22の不純物濃度(AA線)より高くなっている。これは、図5(b)のCC線、DD線に沿った断面の不純物濃度分布からもわかる。
本実施例でも、各部の寸法および不純物濃度等は実施例1と同じような値とする。すなわち活性部10および耐圧構造部20における並列pn層12、22の幅は、p仕切り領域12b、22b、nドリフト領域12a、22aとも8μmであり、並列pn層12、22のピッチとしては16μmである。
【0047】
活性部10、耐圧構造部20の並列pn層12、22の厚さは共に50μmである。また、活性部10および耐圧構造部20のp仕切り領域12b、22b、nドリフト領域12a、22aの不純物濃度はともに約2×1015cm-3である。
ただし、活性部10の並列pn層12において、不純物濃度の高くなった高濃度並列pn層24の厚さが約10μmであり、その濃度はp+ 仕切り領域24b、n+ ドリフト領域24aとも6×1015cm-3である。
【0048】
活性部10の底部で確実に先にアバランシェ電流を発生させるためには、不純物濃度を高くした高濃度並列pn層24の濃度としては3×1015〜1×1016cm-3が望ましい。
このような不純物濃度分布の並列pn層12を持った実施例4の超接合MOSFETでは、活性部10の並列pn層12の下部に高濃度並列pn層24が有るため、活性部10の並列pn層12底部における空乏層が広がりにくく、活性部10の並列pn層12底部における電界が耐圧構造部20よりも高くなるため、耐圧構造部20よりも活性部10で先に臨界電界に達する。
【0049】
特に探さ方向の電界は、活性部10の並列pn層12下部に配置した濃度の高いp+ 仕切り領域24bとn+ ドレイン領域11付近で高くなるため、活性部10の底部でアバランシェ電流が発生するようになる。したがって大きなアバランシェ電流が流れたとしても、その電流は集中しないため、寄生トランジスタは動作しにくく、L負荷アバランシエ耐量が向上し、結果として素子の信頼性が向上する。
【0050】
なお、高濃度並列pn層24のBB線に沿った不純物濃度分布は、図5(a)に示したように、p+ 仕切り領域24bとn+ ドリフト領域24aとで等しいことが望ましい。望ましくは、耐圧600V クラスで5% 以下が良い。これは濃度を高くしたことによる耐圧の低下を最小限にとどめることができるからである。
しかしながら、高濃度並列pn層24のBBに沿ったp+ 仕切り領域24bもしくはn+ ドリフト領域24aのいずれか一方の濃度が高ければ、p+ 仕切り領域24bとn+ ドリフト領域24aとのチャージバランスが崩れるため、その領域での電界が密になり、耐圧構造部20よりも活性部10が先に臨界電界に達するようになる。
【0051】
従って高濃度並列pn層24のp+ 仕切り領域24bもしくはn+ ドリフト領域24aのいずれか一方の濃度が高い場合にも、それらの濃度が同じ場合と同様に、活性部10の並列pn層12の底部で先に臨界電界に達するようになる。それゆえ、高濃度並列pn層24のp+ 仕切り領域24bとn+ ドリフト領域24aの不純物濃度は、並列pn層12のAA線部と比較して高くなければならないが、その少なくともその一方の不純物濃度が高ければよい。
【0052】
また、図4において耐圧構造部20の並列pn層22のピッチは、活性部10の並列pn層12のそれより狭くてもよい。耐圧構造部20の並列pn層22のピッチを狭くすることで、単位長さ当たりの空乏領域が活性部10よりも多くなるため、耐圧構造部20の電界は緩和され、活性部10で耐圧が決定されやすくなる。このように、耐圧構造部20の並列pn層22のピッチを狭くすることによっても、同様の効果が期待できる。
【0053】
耐圧構造部20の並列pn層22は活性部10の並列pn層12に対して垂直に配置しても良い。もちろん、この場合でも並列pn層22のピッチを狭くすることも可能である。このように配置した場合でも、上記と同様の効果が期待できる。
[実施例5]
図6は、本発明の実施例5の縦型の超接合MOSFETの周縁部の部分断面図であり、図の左側がnチャネル型MOSFETの端である。図6のEE線、FF線、GG線、HH線に沿った不純物濃度分布は、それぞれ図5(a)、(b)と同様となる。
【0054】
この例でも実施例4と同様に、活性部10と耐圧構造部20の並列pn層12、22の厚さは同じである。活性部10の並列pn層12の不純物濃度が探さ方向で変化しており、n+ ドレイン層11に近い部分が不純物濃度の高い高濃度並列pn層24となっている。
実施例4と異なっているのは、耐圧構造部20の並列pn層22の間に高比抵抗のn- 高比抵抗層23が配置されている点である。
【0055】
本実施例でも、各部の寸法および不純物濃度等は実施例4と同じような値とする。すなわち、活性部10および耐圧構造部20における並列pn層12、22の幅は、p仕切り領域12b、22b、nドリフト領域12a、22aとも8μmであり、並列pn層12、22のピッチとしては16μmである。
活性部10、耐圧構造部20の並列pn層12、22の厚さは共に50μmである。また、活性部10および耐圧構造部20のp仕切り領域12b、22b、nドリフト領域12a、22aの不純物濃度はともに約2×1015cm-3である。
【0056】
ただし、活性部10の並列pn層12において、不純物濃度の高くなった高濃度並列pn層24の厚さが約10μmであり、その濃度はp+ 仕切り領域24b、n+ ドリフト領域24aとも6×1015cm-3である。
活性部10の底部で確実に先にアバランシェ電流を発生させるためには、不純物濃度を高くした高濃度並列pn層24の濃度としては3×1015〜1×1016cm-3が望ましい。
【0057】
n- 高比抵抗層23の比抵抗は50〜200Ωcmが望ましい。
n- 高比抵抗層23の挿入により、耐圧構造部20における空乏層の広がりが促進されるため、耐圧構造部20での電界は緩和される。従ってこの実施例の場合にも図4の場合と同様に、活性部10での電界が先に臨界電界に達し、アバランシェ電流が流れる。したがってこのような構造でもアバランシェ耐量が向上し、素子の信頼性が確保できる。
【0058】
もちろん、耐圧構造部における並列pn層の濃度を低くしてもよい。また、活性部の並列pn層に対して垂直に配置することも可能である。このようにした場合でも、上記と同様の効果が得られる。
[実施例6]
図7は、本発明の実施例6の縦型の超接合MOSFETの周縁部の部分断面図であり、図の左側がnチャネル型MOSFETの端である。図7のII線、JJ線、KK線、LL線に沿った不純物濃度分布は、それぞれ図5(a)、(b)と同様となる。
【0059】
この例でも実施例4、5と同様に、活性部10と耐圧構造部20の並列pn層12、22の厚さは同じである。活性部10の並列pn層12の不純物濃度が探さ方向で変化しており、n+ ドレイン層11に近い部分が不純物濃度の高い高濃度並列pn層24となっている。
実施例4、5と異なっているのは、耐圧構造部20に並列pn層が無く、活性部10の並列pn層12より厚さの厚い高比抵抗のn- 高抵抗領域23だけが配置されている点である。
【0060】
本実施例でも、各部の寸法および不純物濃度等は実施例4と同じような値とする。すなわち、活性部10および耐圧構造部20における並列pn層12、22の幅は、p仕切り領域12b、22b、nドリフト領域12a、22aとも8μmであり、並列pn層12、22のピッチとしては16μmである。
活性部10、耐圧構造部20の並列pn層12、22の厚さは共に50μmである。また、活性部10および耐圧構造部20のp仕切り領域12b、22b、nドリフト領域12a、22aの不純物濃度はともに約2×1015cm-3である。
【0061】
ただし、活性部10の並列pn層12において、不純物濃度の高くなった高濃度並列pn層24の厚さが約10μmであり、その濃度はp+ 仕切り領域24b、n+ ドリフト領域24aとも6×1015cm-3である。
活性部10の底部で確実に先にアバランシェ電流を発生させるためには、不純物濃度を高くした高濃度並列pn層24の濃度としては3×1015〜1×1016cm-3が望ましい。
【0062】
耐圧構造部のn- 高比抵抗領域23の比抵抗は、50〜200Ωcmとすることが望ましい。
このような不純物濃度分布の並列pn層12を持った実施例4の超接合MOSFETでは、活性部10の並列pn層12の下部に高濃度並列pn層24が有るため、活性部10の並列pn層12底部における空乏層が広がりにくい。しかも、耐圧構造部20をn- 高比抵抗領域23とすることにより、電圧印加時の耐圧構造部20における空乏層の広がりが促進されるため、耐圧構造部20での電界は緩和される。
【0063】
従って、活性部10の並列pn層12底部における電界が、耐圧構造部20よりも高くなる。そのため、活性部10が耐圧構造部20よりも先に臨界電界に達する。したがって活性部10で耐圧が決定されるようになる。
特に探さ方向の電界は、活性部10の並列pn層12下部に配置した濃度の高いp+ 仕切り領域24bとn+ ドレイン領域11付近で高くなるため、活性部10の底部でアバランシェ電流が発生するようになる。したがって大きなアバランシェ電流が流れたとしても、その電流は集中しないため、寄生トランジスタは動作しにくく、L負荷アバランシエ耐量が向上し、結果として素子の信頼性が向上する。
【0064】
このように活性部の底部でアバランシェ電流を発生させる方法として、活性部底部での並列pn層のnドリフト領域、p仕切り領域のいずれかの濃度を高くすることが挙げられる。このようにすれば並列pn層のチャージバランスが崩れるため、活性部で耐圧が決定されるようになる。したがって、アバランシェ電流の集中を防ぎ、素子の信頼性を確保できる。
また、耐圧の安定化のために、チャネルストッパー電極としてn- 高比抵抗層23の上部に周辺電極を設けることが望ましい。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層に厚さの異なる部分があり、厚さの厚い部分を厚さの薄い部分の周縁部に配置することによって、確実に活性部内で先にアバランシェ電流が発生するようにして、L負荷アバランシェ耐量が向上した超接合半導体素子とすることができる。また、活性部の並列pn層の厚さが従来の並列pn層の厚さよりも薄くなるため、オン時のドリフト領域が短くなり、オン抵抗が低減できる。
【0066】
活性部における並列pn層の所定の領域の濃度を外周耐圧構造部よりも高くすることによっても同様に、確実に活性部内で先にアバランシェ電流が発生し、L負荷アバランシェ耐量が向上した超接合半導体素子とすることができる。この場合でも、所定領域におけるキャリアが多くなるため、オン抵抗が低減できる。
さらに、周縁部に高比抵抗領域を配した場合にも、耐圧構造部の電界が緩和されるので、一層の効果が得られることを示した。
【0067】
よって本発明は、信頼性を向上させるとともに、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を改善した超接合半導体素子の更なる特性改善に大なる寄与をするものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の超接合MOSFETの部分断面図
【図2】 実施例2の超接合MOSFETの部分断面図
【図3】 実施例3の超接合MOSFETの部分断面図
【図4】 実施例4の超接合MOSFETの部分断面図
【図5】 (a)は図4のAA線、BB線、(b)は図4のCC線、DD線に沿った不純物濃度分布図
【図6】 実施例5の超接合MOSFETの部分断面図
【図7】 実施例6の超接合MOSFETの部分断面図
【図8】 従来の超接合MOSFETの部分断面図
【符号の説明】
1、11::n+ ドレイン層
2、12:並列pn層
2a 、12a:nドリフト領域
2b 、12b:p仕切り領域
3a 、13a:pウエル領域
3b 、13b:p+ コンタクト領域、
4、14:nソース領域、
5、15:ゲート酸化膜、
6、16:ゲート電極層、
7、17:ソース電極層、
8、18:ドレイン電極層
9、19:層間絶縁膜
10:活性領域
20:耐圧構造部
21 :n+ ドリフト中間層
22:耐圧構造部の並列pn層
22a:nドリフト領域
22b:p仕切り領域
23 :n- 高比抵抗層
24a:高濃度nドリフト領域、
24b:高濃度仕切り萌域
25 :チャネルストッパ
26 :絶縁膜
27 :周縁電極
Claims (23)
- 第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、厚さの異なる並列pn層を有し、前記並列pn層が厚さの薄い第一並列pn層部分と厚さの厚い第二並列pn層部分とからなり、第一並列pn層部分の周縁部に第二並列pn層部分が配置されていることを特徴とする超接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分のピッチが第一並列pn層部分のピッチよりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の超接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分の不純物濃度が第一並列pn層部分の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項1または2に記載の超接合半導体素子。
- 第一並列pn層部分と低抵抗層との間に、第一導電型領域が介在していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第一導電型領域の不純物濃度が、第一導電型ドリフト領域のそれより高濃度であることを特徴とする請求項4に記載の起接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分の周囲に、低抵抗層まで達する第一導電型チャネルストッパー領域を有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分の周囲に、第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 高比抵抗領域の不純物濃度ND が、超接合半導体素子の耐圧をVDSS (V)としたとき、5.62×1017×VDSS -1.36 (cm-3)以下であることを特徴とする請求項7に記載の超接合半導体素子。
- 第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層の周縁部に並列pn層の厚さより厚い第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を有し、高比抵抗領域の不純物濃度ND が、超接合半導体素子の耐圧をVDSS (V)としたとき、5.62×1017×VDSS -1.36 (cm-3)以下であることを特徴とする超接合半導体素子。
- 並列pn層と低抵抗層との間に、第一導電型領域が介在していることを特徴とする請求項9に記載の超接合半導体素子。
- 第一導電型領域の不純物濃度が、第一導電型ドリフト領域のそれより高濃度であることを特徴とする請求項10に記載の起接合半導体素子。
- 高比抵抗領域の周囲に第一導電型のチャネルストッパー領域を有することを特徴とする請求項8ないし11のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層は、厚さ方向で不純物濃度が異なり、
前記並列pn層からなる第一並列pn層の周縁部に第二並列pn層が配置され、前記第一並列pn層は、前記第二並列pn層の不純物濃度より高濃度である高濃度部分を有することを特徴とする超接合半導体素子。 - 前記高濃度部分が、第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の不純物濃度が共に第一主面側より第二主面側に配置され、かつ第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の第一主面側よりも高濃度になっていることを特徴とする請求項13記載の超接合半導体素子。
- 前記高濃度部分が、第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の不純物濃度のいずれか一方が第一主面側より第二主面側に配置され、かつ第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の第一主面側よりも高濃度になっていることを特徴とする請求項13記載の超接合半導体素子。
- 第二並列pn層は厚さ方向で不純物濃度が変化しないことを特徴とする請求項13ないし15のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分のピッチが第一並列pn層部分のピッチよりも狭いことを特徴とする請求項13ないし16のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分の周囲に、低抵抗層に達する第一導電型のチャネルストッパー領域を有することを特徴とする請求項13ないし17のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第二並列pn層部分の周囲に、第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を有することを特徴とする請求項13ないし18のいずれかに記載の超接合半導体素子。
- 第一と第二の主面と、主面に設けられた二つの主電極と、第一と第二の主面間に低抵抗層と、オフ状態で空乏化する第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域とを交互に配置した並列pn層とを備える超接合半導体素子において、並列pn層は、厚さ方向で不純物濃度が異なり、
第一並列pn層の周縁部に第一導電型または第二導電型の高比抵抗領域を有し、
高比抵抗領域の不純物濃度ND が、超接合半導体素子の耐圧をVDSS (V)としたとき、5.62×1017×VDSS -1.36 (cm-3)以下であることを特徴とする超接合半導体素子。 - 第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の不純物濃度が共に第一主面側より第二主面側で高濃度になっている高濃度部分を有することを特徴とする請求項20記載の超接合半導体素子。
- 第一導電型ドリフト領域と第二導電型仕切り領域の不純物濃度のいずれか一方が第一主面側より第二主面側で高濃度になっている高濃度部分を有することを特徴とする請求項20記載の超接合半導体素子。
- 高比抵抗領域の周囲に第一導電型のチャネルストッパー領域を有することを特徴とする請求項20ないし22のいずれかに記載の超接合半導体素子。
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