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JP2009021519A - 半導体装置 - Google Patents

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JP2009021519A JP2007184736A JP2007184736A JP2009021519A JP 2009021519 A JP2009021519 A JP 2009021519A JP 2007184736 A JP2007184736 A JP 2007184736A JP 2007184736 A JP2007184736 A JP 2007184736A JP 2009021519 A JP2009021519 A JP 2009021519A
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Abstract

【課題】装置全体として耐圧を向上することのできる半導体装置を提供する。
【解決手段】第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、積層方向と直交する方向においてｐｎ並設部に隣接配置され、第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、ｐｎ並設部は、第２半導体層と第３半導体層の並設方向において周辺部に隣接する端部半導体層が第２半導体層とされ、端部半導体層としての第２半導体層の不純物量は、他の第２半導体層の不純物量の半分以上とされ、並設方向に多層に配置された第３半導体層のうち、端部半導体層側から一部の第３半導体層が、他の第３半導体層よりも不純物量の多い多不純物層とされている。
【選択図】図５

Description

本発明は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部を有し、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のいずれかをドリフト層とする縦型素子を備えた半導体装置に関するものである。
従来、高耐圧化と低オン抵抗化を実現する半導体装置として、ｎ型半導体層とｐ型半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部を有し、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のいずれかをドリフト層とする縦型素子を備えた半導体装置が知られている。そして、このような半導体装置において、半導体装置全体の耐圧を確保するために、ｐｎ並設部の周辺に位置する周辺部として、ｐｎ並設部を構成する同一導電型の半導体層よりも低濃度である半導体層を設けた構成が提案されている（特許文献１，２参照）。このように、周辺部として低濃度半導体層を設けると、空乏層を横方向に広く伸ばすことができる。
特許第３７４３３９５号公報 特開２００３−７６７６号公報
ところで、素子がオフ状態において、空乏層を横方向（ｎ型半導体層とｐ型半導体層の並設方向）に広く伸ばすには、チャージバランスを取る必要がある。ｐｎ並設部においては、この点が考慮され、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の不純物量が等しくなるように設定される。しかしながら、周辺部として低濃度半導体層を設けた構成においては、低濃度半導体層が存在する分、ｐｎ並設部の端部付近でチャージバランスが崩れ、耐圧が低下することが考えられる。
本発明は上記問題点に鑑み、装置全体として耐圧を向上することのできる半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、積層方向と直交する方向においてｐｎ並設部に隣接配置され、第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、ｐｎ並設部は、第２半導体層と第３半導体層の並設方向において周辺部に隣接する端部半導体層が第２半導体層とされ、端部半導体層としての第２半導体層の不純物量は、他の第２半導体層の各層の不純物量の半分以上とされ、並設方向に多層に配置された第３半導体層のうち、端部半導体層側から一部の第３半導体層が、他の第３半導体層よりも不純物量の多い多不純物層とされていることを特徴とする。
このような構成の半導体装置は、第１導電型の半導体層にトレンチを形成し、気相拡散によってトレンチ壁面から第１導電型不純物を拡散して半導体層の一部（トレンチ間の部分など）を第１導電型の第２半導体層とし、エピタキシャル成長法によってトレンチ内に第２導電型の第３半導体層を形成してｐｎ並設部とするトレンチ埋め込み法によって形成されたものである。したがって、ｐｎ並設部の端部半導体層が第２半導体層とされ、端部半導体層である第２半導体層の不純物量が他の第２半導体層の各層の不純物量の半分以上とされている。このような構成の半導体装置において、本発明では、ｐｎ並設部を構成する第３半導体層のうち、端部半導体層側から一部の第３半導体層を、他の第３半導体層よりも不純物量の多い多不純物層としている。したがって、周辺部としてｐｎ並設部に隣接する第４半導体層を有し、さらにｐｎ並設部の端部半導体層が第４半導体層と同一導電型の第２半導体層でありながら、全ての第３半導体層の不純物量が等しい構成と比べて、ｐｎ並設部の端部付近のチャージバランスを取ることができる。そして、これにより装置全体として耐圧を向上することができる。
請求項２に記載のように、多不純物層の総不純物量は、並設方向において、端部半導体層から最も離れた多不純物層に端部半導体層とは反対側で隣接する第２半導体層を二分する中線よりも、端部半導体層側に位置する第２半導体層の総不純物量と、端部半導体層側に位置する第４半導体層の不純物量との和以下とされることが好ましい。これによれば、並設方向において、不純物量の急峻な変化を抑制することができ、ひいては装置全体として耐圧をより向上することができる。
請求項３に記載のように、全ての第３半導体層において、不純物濃度がほぼ等しくされ、多不純物層の幅が、他の第３半導体層の幅よりも広くされた構成とすることが好ましい。これによれば、不純物濃度ではなく並設方向の幅によって不純物量を制御するので、製造工程を簡素化することができる。
請求項３に記載の発明においては、請求項４に記載のように、積層方向及び並設方向に直交する方向において、第３半導体層の幅がほぼ一定とされた構成としても良いし、請求項５に記載のように、第３半導体層を、積層方向及び並設方向に直交する方向における端部の幅が、端部間の中央部の幅よりも広くされた構成としても良い。積層方向及び並設方向に直交する方向において、ｐｎ並設部の端部付近のチャージバランスが取れるように適宜選択すれば良い。なお、請求項４に記載の発明によれば、第３半導体層及び第３半導体層に隣接する第２半導体層のパターンが簡素であるので、トレンチ内に第３半導体層を形成する際の、埋め込み不良などを抑制することができる。また、請求項５に記載の発明によれば、積層方向及び並設方向に直交する方向においてチャージバランスに寄与する不純物量をより多くすることができる。
なお、多不純物層は端部半導体層側から少なくとも１層の第３半導体層によって構成されれば良く、請求項６に記載のように、複数の第３半導体層によって多不純物層が構成されても良い。この場合、請求項７に記載のように、多不純物層を構成する複数の第３半導体層が、他の第３半導体層側から端部半導体層側に向けて、各第３半導体層の不純物量が徐々に多くされた構成とすると、電圧印加時の電位分布を滑らかにすることができる。
次に、請求項８に記載の発明は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、積層方向と直交する方向においてｐｎ並設部に隣接配置され、第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、ｐｎ並設部は、第２半導体層と第３半導体層の並設方向において周辺部と隣接する端部半導体層が第３半導体層とされ、端部半導体層としての第３半導体層の不純物量は、他の第３半導体層の各層の不純物量の半分以上とされ、並設方向に多層に配置された第２半導体層のうち、端部半導体層側から一部の第２半導体層が、他の第２半導体層よりも不純物量の少ない少不純物層とされていることを特徴とする。
このような構成の半導体装置は、第１導電型の半導体層にトレンチを形成し、気相拡散によってトレンチ壁面から第２導電型不純物を拡散して半導体層の一部（トレンチ間の部分など）を第２導電型の第３半導体層とし、エピタキシャル成長法によってトレンチ内に第１導電型の第２半導体層を形成してｐｎ並設部とするトレンチ埋め込み法によって形成されたものである。したがって、ｐｎ並設部の端部半導体層が第３半導体層とされ、端部半導体層である第３半導体層の不純物量が他の第３半導体層の不純物量の半分以上とされている。このような構成の半導体装置において、本発明では、ｐｎ並設部を構成する第２半導体層のうち、端部半導体層側から一部の第２半導体層を、他の第２半導体層よりも不純物量の少ない少不純物層としている。したがって、周辺部としてｐｎ並設部に隣接する第４半導体層を有し、さらにｐｎ並設部の端部半導体層が第４半導体層と異なる導電型の第３半導体層でありながら、全ての第２半導体層の不純物量が等しい構成と比べて、ｐｎ並設部の端部付近のチャージバランスが取ることができる。そして、これにより装置全体として耐圧を向上することができる。
請求項９に記載のように、少不純物層の総不純物量は、並設方向において、端部半導体層から最も離れた少不純物層に端部半導体層とは反対側で隣接する第３半導体層を二分する中線よりも、端部半導体層側に位置する第３半導体層の総不純物量と、端部半導体層側に位置する第４半導体層の不純物量との差以下とされることが好ましい。これによれば、並設方向において、不純物量の急峻な変化を抑制することができ、ひいては装置全体として耐圧をより向上することができる。
請求項１０に記載のように、全ての第２半導体層において、不純物濃度がほぼ等しくされ、少不純物層の幅が、他の第２半導体層の幅よりも狭くされた構成とすることが好ましい。これによれば、不純物濃度ではなく並設方向の幅によって不純物量を制御するので、製造工程を簡素化することができる。
請求項１０に記載の発明においては、請求項１１に記載のように、積層方向及び並設方向に直交する方向において、第２半導体層の幅がほぼ一定とされた構成としても良いし、請求項１２に記載のように、第２半導体層を、積層方向及び並設方向に直交する方向における端部の幅が、端部間の中央部の幅よりも狭くされた構成としても良い。積層方向及び並設方向に直交する方向において、ｐｎ並設部の端部付近のチャージバランスが取れるように適宜選択すれば良い。なお、請求項１１に記載の発明によれば、第２半導体層及び第２半導体層に隣接する第３半導体層のパターンが簡素であるので、トレンチ内に第２半導体層を形成する際の、埋め込み不良などを抑制することができる。また、請求項１２に記載の発明によれば、積層方向及び並設方向に直交する方向においてチャージバランスに寄与する不純物量をより少なくすることができる。
なお、少不純物層は端部半導体層側から少なくとも１層の第２半導体層によって構成されれば良く、請求項１３に記載のように、複数の第２半導体層によって少不純物層が構成されても良い。この場合、請求項１４に記載のように、少不純物層を構成する複数の第２半導体層が、他の第２半導体層側から端部半導体層側に向けて、各第２半導体層の不純物量が徐々に少なくされた構成とすると、電圧印加時の電位分布を滑らかにすることができる。
次に、請求項１５に記載の発明は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、積層方向と直交する方向においてｐｎ並設部に隣接配置され、第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、第３半導体層のうち、第２半導体層と第３半導体層の並設方向においてｐｎ並設部の端部から一部の第３半導体層の総不純物量が、ｐｎ並設部の端部から一部の第３半導体層のなかで端部から最も離れた第３半導体層に対し、周辺部とは反対側で隣接する第２半導体層を二分する中線よりも、端部側に位置する第２半導体層の総不純物量と、端部側に位置する第４半導体層の不純物量との和とほぼ等しくされていることを特徴とする。
このように本発明によれば、ｐｎ並設部の端部から一部の第３半導体層の総不純物量を、
この第３半導体層のうちで端部から最も離れた第３半導体層に隣接する第２半導体層を二分する中線よりも、端部側に位置する第２半導体層の総不純物量と、端部側に位置する第４半導体層の不純物量との和とほぼ等しくしている。したがって、周辺部として第４半導体層を有する構成でありながら、ｐｎ並設部の端部付近のチャージバランスを取ることができる。そして、これにより装置全体として耐圧を向上することができる。なお、このような構成の半導体装置の形成方法は特に限定されるものではない。
請求項１〜１５いずれかに記載の発明においては、請求項１６に記載のように、周辺部における第１半導体層とは反対側の表面上に絶縁層が配置され、ｐｎ並設部上から絶縁層上の少なくともｐｎ並設部側にかけて主電極が配置された構成としても良い。このように主電極が、絶縁層上の少なくともｐｎ並設部側に配置された構成とすると、ｐｎ並設部側での電界集中を緩和することができる。
また、請求項１７に記載のように、周辺部が、第４半導体層における第１半導体層とは反対側の表面に隣接して積層された第２導電型の第５半導体層を有する構成とすると良い。これによれば、第４半導体層と第５半導体層のｐｎ接合部から空乏層が広がるので、周辺部において耐圧を向上し、ひいては装置全体の耐圧を向上することができる。
請求項１８に記載のように、第５半導体層が、ｐｎ並設部における第１半導体層とは反対側の表面上にも配置され、主電極と電気的に接続された構成としても良い。これによれば、第５半導体層の電位が所定電位に固定されるため、空乏層を伸ばしやすくなる。しかしながら、請求項１９に記載のように、周辺部が第５半導体層を少なくとも１つ有し、第５半導体層が浮遊電位とされた構成としても良い。
請求項１８又は請求項１９に記載の発明においては、請求項２０に記載のように、並設方向において、絶縁層上に位置する主電極の端部が、第５半導体層と重なる位置とされた構成とすると良い。これによれば、主電極端部での電界集中を緩和することができる。
先ず、本発明の実施形態について説明する前に、本発明者が本発明を創作するに至った経緯を説明する。図１は、トレンチ埋め込み法によって形成されたｐｎ並設部を有する従来の半導体装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
本発明者は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層が交互に繰り返し隣接して配置されたｐｎ並設部（所謂ｐｎコラム）を有し、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のいずれかをドリフト層とする縦型素子を備えた半導体装置において、ｐｎ並設部の周辺に位置する周辺部として、ｐｎ並設部を構成する同一導電型の半導体層よりも低濃度である半導体層を設けた構成の半導体装置について詳細に検討を行った。
この検討においては、図１及び図２に示す半導体装置を、上述したトレンチ埋め込み法によって形成した。なお、ｐｎ並設部を形成するにあたり、気相拡散（例えばＰＨ３）によってｎ型不純物を導入し、トレンチ内にｐ型半導体層をエピタキシャル成長によって形成した。図１及び図２に示す半導体装置１００は、縦型素子としてＭＯＳＦＥＴを有しており、ドレイン領域としてのｎ導電型の第１半導体層に、シリコンにｎ型不純物が高濃度に導入されたｎ＋型基板１１を採用している。この高濃度（低抵抗）のｎ＋型基板１１は、ｐｎ並設部とｐｎ並設部の周辺に位置する周辺部にわたって連続して形成されている。
ｎ＋型基板１１の一方の面上には、主電極としてのドレイン電極１３が配置され、ｎ＋型基板１１におけるドレイン電極配置面の裏面上の一部には、ｎ＋型基板１１との積層方向と直交する一方向に、第１導電型の第２半導体層としてのｎ型半導体層１５と第２導電型の第３半導体層としてのｐ型半導体層１７が互いに隣接して交互に並設され、ｐｎ並設部１９が構成されている。このｐｎ並設部１９のうち、ｎ型半導体層１５が、縦型素子のドリフト領域となっている。また、ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７の並設方向において、ｎ型半導体層１５が端部半導体層１５ａとなっており、この端部半導体層１５ａの不純物量は、気相拡散の影響により、他のｎ型半導体層１５の各層の不純物量の１／２以上となっている。並設方向において、両側のトレンチから半導体層に気相拡散されてｎ型半導体層１５が形成されるので、理想的には端部半導体層１５ａの不純物量が、他のｎ型半導体層１５の各層の不純物量の１／２程度（換言すれば、並設方向において、端部半導体層１５ａの幅がｎ型半導体層１５の幅の１／２程度）となる。また、トレンチ間の半導体層の幅が狭い場合には、不純物が半導体層を通り抜けることも考えられるが、端部半導体層１５ａにおいては不純物の通り抜けがない。したがって、このような場合には、端部半導体層１５ａの不純物量が、他のｎ型半導体層１５の各層の不純物量の１／２よりも多く（換言すれば、並設方向において、端部半導体層１５ａの幅がｎ型半導体層１５の幅の１／２よりも長く）なる。また、ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７の不純物量は、チャージバランスが取れている。
ｎ＋型基板１１におけるドレイン電極配置面の裏面には、ｐｎ並設部１９を取り囲むように、ｎ型半導体層１５よりも不純物濃度の低い（高抵抗の）ｎ−型半導体層２１が、第１導電型の第４半導体層として配置されている。また、ｐｎ並設部１９とｎ−型半導体層２１におけるｎ＋型基板１１とは反対側の面上に、ｐｎ並設部１９からｎ−型半導体層２１まで連続して、ｐ−型半導体層２３が第２導電型の第５半導体層として形成されている。すなわち、半導体装置１００は、並設方向においてｐｎ並設部１９の周辺に位置する周辺部２５として、ｎ−型半導体層２１とｐ−型半導体層２３におけるｎ−型半導体層２１に積層された一部を有している。
ｐ−型半導体層２３における周辺部２５の表面には、絶縁層としてフィールド酸化層２７が形成されており、このフィールド酸化層２７の表面の少なくともｐｎ並設部１９側に、導体層としてのフィールドプレート２９ａが配置されている。このフィールドプレート２９ａは、主電極としてのソース電極２９の一部となっている。
ｐ−型半導体層２３におけるｐｎ並設部１９上の部位には、その表層にｐ−型半導体層２３よりも不純物濃度の高いｐ型のベース領域３１が形成されており、ベース領域３１の表層には、ｎ＋型のソース領域３３とｐ＋型のベースコンタクト領域３５が選択的に形成されている。ソース領域３３とベースコンタクト領域３５は、ソース電極２９と電気的に接続されている。なお、ベースコンタクト領域３５のうち、並設方向において最外周に位置するベースコンタクト領域を、他のベースコンタクト領域３５と区別して最外周ベースコンタクト領域３５ａと示す。
そして、ソース領域３３とｎ型半導体層１５を隔てているベース領域３１及びｐ−型半導体層２３を貫通してトレンチゲート電極３７が形成されている。このトレンチゲート電極３７は、ゲート絶縁膜３９で被覆されている。ソース電極２９とトレンチゲート電極３７は、層間絶縁膜４１で電気的に隔てられている。なお、図１に示す符号４３は、ダイシング時のリークを抑制するために、ｐ−型半導体層２３に隣接して周辺部２５の端部に設けられたｎウェルである。
このような構造の半導体装置１００について、本発明者はシミュレーションにより、耐圧の計算を行った。その結果を、図３及び図４に示す。図３は、ドレインーソース電圧とドレイン電流との関係を示す図である。図４は、ブレイクダウン時の電位分布を示す図である。図４においては、ｐｎ並設部１９とｎ−型半導体層２１との境界を破線で示している。なお、シミュレーションに当たっては、ｐｎ並設部１９を構成するｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７の不純物濃度をともに８×１０１５ｃｍ−３とし、端部半導体層１５ａ以外のｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７の並設方向の幅を等しくした。また、積層方向及び並設方向に垂直な方向（半導体層１５、１７の長手方向、以下単に長手方向と示す）の長さと積層方向の厚さを、ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７とで等しくし、ｐｎ並設部１９が目標耐圧である９００Ｖ以上を確保できるようにした。また、ｎ−型半導体層２１における長手方向の長さと積層方向の厚さをｐｎ並設部１９と等しくし、不純物濃度を１×１０１４ｃｍ−３とした。
その結果、フィールドプレート２９ａの端部下方の周辺部２５（ｐ−型半導体層２３）においてブレイクダウンが発生し、図３に示すように、目標耐圧（９００Ｖ以上）に対し、約８５２Ｖの耐圧しか確保できないことが明らかとなった。ブレイクダウン時の電位分布は、図４に示すように、ｐｎ並設部１９の上部で電位分布が密となっており、特にフィールドプレート２９ａの端部で電位が曲げられ、フィールドプレート２９ａの端部下方において電界が集中した状態となっている。本発明者は、この電界集中の原因として、ｐｎ並設部１９の周囲に存在するｎ−型半導体層２１の少なくとも一部の不純物量の分、ｐｎ並設部１９の並設方向端部付近でチャージバランスが崩れたことが原因ではないかと推察した。そこで、本発明者は、ｐｎ並設部１９だけでなく、周辺部２５も含めてチャージバランスが取れた構造とすれば、周辺部２５での耐圧を向上でき、ひいては半導体装置１００全体の耐圧を向上できるのではないかと考えた。本発明は、この知見に基づくものであり、以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図５は、第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。なお、図１及び図２に示した構成要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。
本実施形態に係る半導体装置も、公知のトレンチ埋め込み法によって形成されたものであり、その基本構成は図１及び図２に示した半導体装置１００と同じである。以下においては異なる部分を中心に説明する。なお、製造方法については、例えば特開２００６−１７３２０２号公報に示されているので、本実施形態においてはその説明を割愛する。
図５及び図６に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００においては、ドレイン領域としてのｎ＋型基板１１の一方の面上にドレイン電極１３が配置され、ドレイン電極配置面の裏面上の一部に、ｐｎ並設部１９が直接接して配置されている。このｐｎ並設部１９は、ｎ＋型基板１１とｐｎ並設部１９の積層方向（縦型素子の縦方向であり、以下、単に積層方向と示す）と直交する一方向に、ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７が互いに隣接して交互に並設されたものであり、ｎ型半導体層１５が、縦型素子のドリフト領域となっている。また、ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７の並設方向において、ｎ型半導体層１５が端部半導体層１５ａとなっており、この端部半導体層１５ａは、他のｎ型半導体層１５よりも不純物量が少なく、ｎ型半導体層１５の不純物量の１／２程度となっている。
トレンチ形成後の気相拡散によってｎ型半導体層１５を形成する際、端部半導体層１５ａ以外のｎ型半導体層１５は、トレンチの形成された半導体層のうち、隣り合うトレンチ間の領域に両側のトレンチ壁面からｎ型不純物を拡散して形成される。これに対し、端部半導体層１５ａは、トレンチによって挟まれた領域ではなく、トレンチに隣接するトレンチ周囲の領域にｎ型不純物を拡散して形成される。このように端部半導体層１５ａの形成においてはｎ型不純物の導入される面が片面しかないため、トレンチ間の半導体層に十分にｎ型不純物を拡散させてｎ型半導体層１５を形成した場合、ｎ型半導体層１５の形成後も気相拡散を意図的に継続しない限りは、端部半導体層１５ａの不純物量が他のｎ型半導体層１５の不純物量よりも少なくなる。換言すれば、並設方向における幅が狭くなる。この点については、特開２００６−１７３２０２号公報に示されているので参照されたい。したがって、理想的には、端部半導体層１５ａの不純物量は、他のｎ型半導体層１５の不純物量の１／２程度となる。換言すれば、並設方向において、端部半導体層１５ａの幅は、他のｎ型半導体層１５の幅の１／２程度となる。また、トレンチ間の半導体層の幅によっては、ｎ型不純物が一方のトレンチ壁面から他方のトレンチ壁面側へ抜けるのに対し、端部半導体層１５ａの形成ではこのような抜けが生じない。したがって、端部半導体層１５ａの不純物量（幅）は、他のｎ型半導体層１５の不純物量（幅）の１／２よりも若干多く（太く）なる。また、ｎ型不純物が十分に拡散してｎ型半導体層１５が形成された後も気相拡散を意図的に継続すると、端部半導体層１５ａの不純物量（幅）は、他のｎ型半導体層１５の不純物量（幅）の１／２よりも多く（太く）なる。なお、トレンチ間の半導体層の幅が広く、ｎ型不純物の拡散が不十分で半導体層が並設方向において３層構造とされる場合には、ｎ型不純物の拡散された両端部のｎ型半導体層をｎ型半導体層１５とし、このｎ型半導体層１５と端部半導体層１５ａとの比較を行うものとする。また、半導体層におけるトレンチに隣接するトレンチ周囲の領域のうち、端部半導体層１５ａ以外の部分がｎ−型半導体層２１となっている。
ｎ型半導体層１５及びｐ型半導体層１７としては、オン状態でｎ型半導体層１５を電流が流れるドリフト領域とし、オフ状態で空乏層がｐｎ並設部１９の各ｐｎ接合から積層方向に垂直な方向（横方向）に広がってｐｎ並設部１９全体を空乏化でき、所望の耐圧を確保できる構成であれば採用することができる。例えば各層の幅を０．５〜５μｍ、積層方向の厚さを５〜１００μｍ、不純物濃度を１×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１６ｃｍ−３とすることができる。本実施形態においては、ｐｎ並設部１９を構成するｐ型半導体層１７の一部の構造に特徴がある。この特徴部分については、後述する。
ｎ＋型基板１１におけるドレイン電極配置面の裏面上には、積層方向に垂直な方向（横方向）において、ｐｎ並設部１９に隣接するようにｎ−型半導体層２１が直接配置されている。詳しくは、並設方向だけでなく、並設方向に直交する方向（各半導体層１５、１７の長手方向）にも配置され、ｐｎ並設部１９の周囲をｎ−型半導体層２１が取り囲んでいる。ｎ−型半導体層２１としては、積層方向の厚さをｐｎ並設部１９と同程度の厚さ（耐圧に応じて適宜設定）とし、不純物濃度をｎ型半導体層１５よりも低濃度、例えば１×１０１４ｃｍ−３〜１×１０１５ｃｍ−３とすることができる。これにより、オフ状態で、ｎ−型半導体層２１において空乏層が並設方向に広く伸び、周辺部２５では並設方向において電位差を十分に保持できることとなる。したがって、周辺部２５の耐圧は、縦方向に形成される空乏層の幅によって決定されることとなる。ただし、本実施形態に示すように、ｎ−型半導体層２１を介してｎ＋型基板１１と電気的に接続されたｎウェル４３が形成されている場合には、フィールドプレート２９ａの端部からｎウェル４３までの距離も耐圧に影響する。したがって、並設方向において、フィールドプレート２９ａの端部からｎウェル４３までの距離が所望の耐圧を確保できる距離となるように、並設方向におけるｎ−型半導体層２１の長さを設定すれば良い。耐圧に応じて、例えば２０μｍ〜２００μｍとすることができる。
また、ｐｎ並設部１９とｎ−型半導体層２１におけるｎ＋型基板１１とは反対側の面上に、ｐｎ並設部１９からｎ−型半導体層２１まで連続してｐ−型半導体層２３が直接接して形成されている。周辺部２５においては、このｐ−型半導体層２３内にも空乏層が形成されるので、周辺部２５において、空乏層を形成できる積層方向の長さを、ｎ−型半導体層２１とｐ−型半導体層２３を足し合わせた長さとすることができる。また、ｐ−型半導体層２３とｎ−型半導体層２１の接合部からｎ−型半導体層２１に空乏層を伸ばすことができるので、ｎ−型半導体層２１において積層方向に垂直な方向（横方向）に空乏層を広がりやすくすることができる。ｐ−型半導体層２３としては、積層方向の厚さを０．２μｍ〜１０μｍ程度の厚さとし、不純物濃度をｎ−型半導体層２１よりも高濃度、例えば１×１０１５ｃｍ−３〜３×１０１６ｃｍ−３とすることができる。
ｐ−型半導体層２３における周辺部２５の表面には、例えば厚さが１μｍ〜３μｍのフィールド酸化層２７が直接接して形成されており、このフィールド酸化層２７の表面の少なくともｐｎ並設部１９側にソース電極２９の一部としてフィールドプレート２９ａが配置されている。このフィールドプレート２９ａにより、最外周ベースコンタクト領域３５ａやベース領域３１の角部（曲率が大きい箇所）における電界集中を緩和することができる。並設方向におけるフィールドプレート２９ａの長さは、特に限定されるものではなく、表面側（ソース電極２９側）の電界を緩和するのに最適な長さとすれば良い。ただし、上述したように、ｎウェル４３を有する場合には、要求耐圧が高いほどｎウェル４３との距離を長くする必要がある。例えば、並設方向において、フィールドプレート２９ａの長さを、ｐｎ並設部１９との境界からｎウェル４３までの長さの１／２以下とすると良い。
ｐ−型半導体層２３におけるｐｎ並設部１９上の部位には、ｐ型のベース領域３１が直接接して形成されており、ベース領域３１の表層には、ｎ＋型のソース領域３３とｐ＋型のベースコンタクト領域３５が選択的に形成されている。そして、ソース領域３３とベースコンタクト領域３５は、ソース電極２９と電気的に接続されている。また、ソース領域３３とｎ型半導体層１５を隔てているベース領域３１及びｐ−型半導体層２３を貫通してトレンチゲート電極３７が形成されている。このトレンチゲート電極３７は、ゲート絶縁膜３９で被覆されており、ソース電極２９とトレンチゲート電極３７は、層間絶縁膜４１で電気的に隔てられている。
次に、本実施形態に係る半導体装置１００の特徴部分について説明する。本実施形態においては、全てのｐ型半導体層１７の不純物濃度が等しくされ、ｐｎ並設部１９を構成するｐ型半導体層１７のうち、並設方向において端部半導体層１５ａに隣接するｐ型半導体層１７ａ（ｐ型半導体層１７のうち、並設方向において最外周のもの）の幅が、他のｐ型半導体層１７の幅よりも広くなっている。すなわち、ｐ型半導体層１７ａの不純物量が、他のｐ型半導体層１７よりも多くなっている。このように、気相拡散によってｎ型半導体層１５が形成された半導体装置１００において、本実施形態では、ｐｎ並設部１９を構成する半導体層１５，１７のうち、ｐｎ並設部１９に隣接するｎ−型半導体層２１とは異なる導電型のｐ型半導体層１７であって、最外周のｐ型半導体層１７ａの不純物量を従来よりも多くしている。これにより、最外周のｐ型半導体層１７ａの不純物の一部を、ｎ−型半導体層２１とのチャージバランスに用いることができるので、空乏層がｎ−型半導体層２１を積層方向に垂直な方向（横方向）に伸びやすくなる。したがって、従来よりも周辺部２５の耐圧を向上し、ひいては半導体装置１００全体の耐圧を向上することができる。
また、最外周のｐ型半導体層１７ａの不純物量を、不純物濃度ではなく幅によって制御している。したがって、局所的なイオン注入などが不要であり、製造工程を簡素化することができる。
また、本実施形態においては、ｐ型半導体層１７ａの不純物量を、図６に示すように、並設方向において、最外周のｐ型半導体層１７ａに端部半導体層１５ａとは反対側で隣接するｎ型半導体層１５ｂを長手方向に沿って二分する中線（破線で図示）よりも、端部半導体層１５ａ側（矢印側）に位置するｎ型半導体層１５（ｎ型半導体層１５ｂの半分と端部半導体層１５ａ）の総不純物量と、端部半導体層１５ａ側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和以下としている。なお、端部半導体層１５ａ側に位置するｎ−型半導体層２１とは、並設方向においてｐｎ並設部１９に平行な領域だけでなく、長手方向に地位する領域と並設方向と長手方向のクロス領域（角領域）も含んでいる。したがって、不純物量の多いｐ型半導体層１７ａを有しながらも、並設方向において、破線よりも中央側の部分との不純物量の急峻な変化を抑制して、縦型素子がオフの状態の電位分布を滑らかにすることができる。すなわち半導体装置１００として耐圧をより向上することができる。
なお、最外周のｐ型半導体層１７ａ以外のｐ型半導体層１７については、並設方向において隣接する２つのｎ型半導体層１５の各半分と少なくともチャージバランスが取れた構成となっていれば良い。これによれば、ｐｎ並設部１９の耐圧を確保することができる。しかしながら、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１や端部半導体層１５ａを考慮しても良い。例えば図６に一点鎖線で示す範囲において、１本のｐ型半導体層１７の不純物量が、並設方向において隣接する２つのｎ型半導体層１５の各半分の総不純物量よりも多く、且つ、隣接する２つのｎ型半導体層１５の各半分の総不純物量と、長手方向に位置する端部半導体層１５ａの不純物量と、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和以下となるようにしても良い。これによれば、長手方向においても、周辺部２５の耐圧を向上し、ひいては半導体装置１００全体の耐圧を向上することができる。
なお、本発明者は、上述した効果について、シミュレーションにより確認を行った。その結果を図７及び図８に示す。図７は、ドレインーソース電圧とドレイン電流との関係を示す図である。図８は、ブレイクダウン時の電位分布を示す図である。図８においては、ｐｎ並設部１９とｎ−型半導体層２１との境界を破線で示している。なお、シミュレーションに当たっては、最外周のｐ型半導体層１７ａの幅を、他のｐ型半導体層１７よりも１５％広い幅とした。それ以外の条件は、図３及び図４に結果を示すシミュレーションと同じとした。
その結果、図７に示すように、目標耐圧（９００Ｖ以上）に対し、約９４２Ｖを確保できることが明らかとなった。また、図８に示すように、フィールドプレート２９ａの端部下方において、電界集中が従来（図４参照）よりも緩和されることが明らかとなった。なお、ブレイクダウンは、周辺部２５において、ｐ−型半導体層２３とｎウェル４３との境界表層で生じた。したがって、端部半導体層１５ａからのｎウェル４３の距離を長くする（換言すればフィールドプレート２９ａとｎウェル４３との距離を長くする）ことで、さらに耐圧を確保することも可能である。このように、最外周のｐ型半導体層１７ａの不純物量を他のｐ型半導体層１７よりも多くすると、耐圧を向上できることがシミュレーション結果からも明らかとなった。
なお、本実施形態においては、ｐｎ並設部１９を構成する各半導体層１５、１７の幅が、長手方向において一定とされる例を示した。この場合、各半導体層１５、１７のパターンが簡素であるので、トレンチ内にｐ型半導体層１７を形成する際の埋め込み不良などを抑制することができる。しかしながら、一定幅でない構成としても良い。例えば図９、図１０に示すように、ｐ型半導体層１７を、長手方向における端部４５ａの幅が端部４５ａ間の中央部４５ｂの幅よりも広くされた構成としても良い。このようにすると、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１や端部半導体層１５ａとのチャージバランスに寄与する不純物量をより多くすることができる。図９、図１０は、変形例を示す断面図であり、図６に対応している。
例えば図９においては、端部４５ａを矩形状としているが、図１０に示すように、中央部４５ｂ側から徐々（連続的又は段階的、図１０においては連続的を例示）に拡幅する形状とする（換言すれば、中央部４５ｂ側から不純物量を徐々に増加させる）と、長手方向において、オフ時の電位分布が滑らかとなり、耐圧をより向上させることができる。
図９及び図１０においては、全てのｐ型半導体層１７が、端部４５ａと中央部４５ｂを有する例を示したが、最外周のｐ型半導体層１７ａのみが、端部４５ａと中央部４５ｂを有する構成としても良い。最外周のｐ型半導体層１７ａは、チャージバランスを取るｎ−型半導体層２１の対象が、長手方向の領域だけでなく、並設方向の領域と、並設方向と長手方向のクロス領域（角領域）にも存在する。したがって、端部４５ａの幅を広くすることによる耐圧向上の効果が最も顕著に現れるものと考えられる。
また、端部４５ａと中央部４５ｂを有する場合、図９、図１０に示すように、ｎ−型半導体層２１のうち、並設方向において中央部４５ｂに平行な領域（一点鎖線で囲まれた範囲内の領域）を中央部４５ｂでチャージバランスを取るようにし、それ以外の領域（破線で囲まれた範囲内の領域）を端部４５ａでチャージバランスを取るように、端部４５ａと中央部４５ｂとで対象範囲を分けて、チャージバランスの設計をするようにしても良い。なお、最外周のｐ型半導体層１７ａ以外のｐ型半導体層１７についても、端部４５ａと中央部４５ｂとで対象範囲を分けて、チャージバランスの設計をするようにしても良い。
また、本実施形態においては、最外周のｐ型半導体層１７ａの幅を他のｐ型半導体層１７の幅よりも広くすることで、その不純物量を他のｐ型半導体層１７の不純物量よりも多くする例を示した。しかしながら、全てのｐ型半導体層１７の幅を一定とし、最外周のｐ型半導体層１７ａの不純物濃度を他のｐ型半導体層１７の不純物濃度よりも高く（濃く）することで、不純物量を他のｐ型半導体層１７の不純物量よりも多くしても良い。また、幅と不純物濃度によって、最外周のｐ型半導体層１７ａの不純物量を他のｐ型半導体層１７の不純物量よりも多くしても良い。
また、本実施形態においては、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置１００の例を示した。しかしながら、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置（導電型をｐ型とｎ型とで入れ替えた構成）においても、上述した各構成を適用することで、同様乃至それに順ずる効果を期待することができる。
また、本実施形態においては、ｎウェル４３を有する例を示した。しかしながら、ｎウェル４３のない構成としても良い。
（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。なお、図１及び図２、又は、第１実施形態に示した構成要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。
本実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に示した半導体装置１００と基本構成が同じであり、異なる点は、ｐ型半導体層１７のうち、不純物量の多い半導体層を複数有する点である。
図１１及び図１２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００は、他のｐ型半導体層１７よりも不純物量の多い半導体層として、第１実施形態に示した最外周のｐ型半導体層１７ａとともに、ｐ型半導体層１７ａの隣のｐ型半導体層１７ｂを有している。すなわち、ｐ型半導体層１７のうち、端部半導体層１５ａ側から複数のｐ型半導体層１７ａ，１７ｂの不純物量が、他のｐ型半導体層１７よりも不純物量が多くなっている。詳しくは、全てのｐ型不純物層１７の不純物濃度がほぼ一定とされ、図１１及び図１２に示すように、ｐ型半導体層１７ａ，１７ｂの幅が、他のｐ型半導体層１７の幅よりも広くなっている。
このような構成においては、ｐ型半導体層１７ａ，１７ｂの総不純物量を、図１２に示すように、ｐ型半導体層１７ａ，１７ｂのうち、並設方向において端部半導体層１５ａから最も離れたｐ型半導体層１７ｂに、端部半導体層１５ａとは反対側で隣接するｎ型半導体層１５ｂを長手方向に沿って二分する中線（破線で図示）よりも、端部半導体層１５ａ側（矢印側）に位置するｎ型半導体層１５（ｎ型半導体層１５ｂの半分、ｎ型半導体層１５、及び端部半導体層１５ａ）の総不純物量と、端部半導体層１５ａ側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和以下としている。したがって、不純物量の多いｐ型半導体層１７ａを有しながらも、並設方向において、破線よりも中央側の部分との不純物量の急峻な変化を抑制して、縦型素子がオフの状態の電位分布を滑らかにすることができる。すなわち半導体装置１００として耐圧をより向上することができる。特に本実施形態においては、図１１及び図１２に示すように、不純物量の多い複数のｐ型半導体層１７ａ，１７ｂが、他のｐ型半導体層１７側から、端部半導体層１５ａに向けて不純物量が徐々に多くなるように設けられている。したがって、並設方向において、オフ時の電位分布をより滑らかにすることができ、ひいては半導体装置１００として耐圧をさらに向上することができる。しかしながら、ｐ型半導体層１７ａ，１７ｂの不純物量がともに等しくされた構成としても良い。
なお、本実施形態においては、他のｐ型半導体層１７よりも不純物量の多い半導体層として、２本のｐ型半導体層１７ａ，１７ｂを有する例を示した。しかしながら、その本数は２本に限定されるものではなく、３本以上としても良い。３本以上有する場合でも、端部半導体層１５ａ側に向けて不純物量が徐々に多くなるように設けると、オフ時の電位分布がより滑らかとなる。
また、本実施形態においても、図１２に示すように、ｐｎ並設部１９を構成する各半導体層１５、１７の幅が、長手方向において一定とされる例を示した。しかしながら、第１実施形態に変形例として示したように、一定幅でない構成としても良い。すなわち、端部４５ａと中央部４５ｂを有する構成としても良い。例えば本実施形態に示すように、他のｐ型半導体層１７よりも不純物量の多い複数のｐ型半導体層１７ａ，１７ｂを有し、且つ、ｐ型半導体層１７ａ，１７ｂの不純物量が、端部半導体層１５ａに向けて徐々に多くなっている場合、不純物量の多い複数のｐ型半導体層１７ａ，１７ｂの本数に応じて、端部４５ａを多段に構成しても良い。例えば図１３においては、並設方向において、端部４５ａの幅も、端部半導体層１５ａに向けて徐々に広くなっている。また、長手方向において、中央部４５ｂからｎ−型半導体層２１に向けて不純物量が多くなるように、端部４５ａの幅が多段に拡幅されている。詳しくは、２本のｐ型半導体層１７ａ，１７ｂに対応して端部４５ａが２段とされている。このような構成とすると、長手方向において、オフ時の電位分布がより滑らかとなり、ひいては耐圧をより向上することができる。図１３は、変形例を示す断面図である。
また、本実施形態においても、幅によって不純物量を調整する例を示した。しかしながら、不純物濃度によって不純物量を調整しても良い。また、幅と不純物濃度によって、不純物量を調整しても良い。
また、本実施形態においても、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置１００の例を示した。しかしながら、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置（導電型をｐ型とｎ型とで入れ替えた構成）においても、上述した各構成を適用することで、同様乃至それに順ずる効果を期待することができる。
また、本実施形態においては、ｎウェル４３を有する例を示した。しかしながら、ｎウェル４３のない構成としても良い。
（第３実施形態）
図１４は、第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図１５は、図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図である。なお、図１及び図２、第１実施形態、又は第２実施形態に示した構成要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。
本実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に示した半導体装置１００と基本構成が同じであり、異なる点は、ｐ型半導体層１７がｐｎ並設部１９の端部半導体層とされ、ｎ型半導体層１５のうち、端部半導体層側からの一部の不純物量が、他のｎ型半導体層１５の不純物量よりも少なくなっている点である。このような構成の半導体装置１００は、例えばｎ−型の半導体層にトレンチを形成後、気相拡散（例えばＢ２Ｈ６）によってｐ型不純物を拡散してｐ型半導体層１７を形成し、トレンチ内にｎ型半導体層をエピタキシャル成長によって埋め込み形成することで構成することができる。
図１４及び図１５に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００は、ｐ型半導体層１７の１つが、ｐｎ並設部１９の端部半導体層１７ｃとなっている。すなわち、気相拡散の影響で、端部半導体層１７ｃの不純物量（幅）が、第１実施形態に示した端部半導体層１５ａ同様、同一導電型の他の半導体層１７の不純物量（幅）の１／２程度となっている。また、全てのｐ型半導体層１７の不純物濃度がほぼ等しくなっており、端部半導体層１７ｃの不純物量が、他のｐ型半導体層１７よりも少なくなっている。すなわち、周辺部２５のｎ−型半導体層２１とチャージバランスを取るべき端部半導体層１７ｃが少なくなっている。
そこで、本実施形態においては、端部半導体層１７ｃに隣接するｎ型半導体層１５ｃ（ｎ型半導体層１５のうち最外周のもの）の不純物量を、他のｎ型半導体層１５よりも少なくしている。詳しくは、全てのｎ型半導体層１５の不純物濃度をほぼ等しくし、最外周のｎ型半導体層１５ｃの幅を、他のｎ型半導体層１５よりも狭くしている。これにより、ｎ−型半導体層２１に隣接する端部半導体層１７ｃの不純物の少なくとも一部を、ｎ−型半導体層２１とのチャージバランスに用いることができるので、空乏層がｎ−型半導体層２１を積層方向に垂直な方向（横方向）に伸びやすくなる。したがって、従来よりも周辺部２５の耐圧を向上し、ひいては半導体装置１００の耐圧を向上することができる。
また、最外周のｎ型半導体層１５ｃの不純物量を、不純物濃度ではなく幅によって制御するようにしている。したがって、局所的なイオン注入などが不要であり、製造工程を簡素化することができる。
また、本実施形態においては、最外周のｎ型半導体層１５ｃの不純物量を、図１５に示すように、並設方向において、ｎ型半導体層１５ｃに端部半導体層１７ｃとは反対側で隣接するｐ型半導体層１７ｄを長手方向に沿って二分する中線（破線で図示）よりも、端部半導体層１７ｃ側（矢印側）に位置するｐ型半導体層１７（ｐ型半導体層１７ｄの半分と端部半導体層１７ｃ）の総不純物量と、端部半導体層１７ｃ側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との差以上としている。したがって、不純物量の少ないｎ型半導体層１５ｃを有しながらも、並設方向において、破線よりも中央側の部分との不純物量の急峻な変化を抑制して、縦型素子がオフの状態の電位分布を滑らかにすることができる。すなわち半導体装置１００として耐圧をより向上することができる。
なお、最外周のｎ型半導体層１５ｃ以外のｎ型半導体層１５については、並設方向において隣接する２つのｐ型半導体層１７の各半分と少なくともチャージバランスが取れた構成となっていれば良い。これによれば、ｐｎ並設部１９の耐圧を確保することができる。しかしながら、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１や端部半導体層１７ｃを考慮しても良い。例えば図１５に一点鎖線で示す範囲において、１本のｎ型半導体層１５の不純物量が、隣接する２つのｐ型半導体層１７の各半分の総不純物量及び長手方向に位置する端部半導体層１７ｃの不純物量の和と、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との差以上となるようにしても良い。これによれば、長手方向においてもオフ時の電位分布を滑らかにし、耐圧をより向上することができる。
本実施形態においても、ｐｎ並設部１９を構成する各半導体層１５、１７の幅が、長手方向において一定とされる例を示した。しかしながら、一定幅でない構成としても良い。例えば図１６や図１７に示すように、ｎ型半導体層１５において、長手方向における端部４７ａの幅が端部４７ａ間の中央部４７ｂの幅よりも狭くされた構成としても良い。このようにすると、長手方向において、チャージバランスに寄与するｎ型不純物量をより少なくし、これによってｎ−型半導体層２１も含めて長手方向でチャージバランスことができる。図１６、図１７は、変形例を示す断面図であり、図１５に対応している。
例えば図１６においては、端部４７ａを矩形状としているが、図１７に示すように、中央部４７ｂから徐々（連続的又は段階的、図１７においては連続的を例示）に縮幅する形状とする（換言すれば、中央部４７ｂから不純物量を徐々に変化させる）と、オフ時の電位分布が滑らかとなり、耐圧をより向上させることができる。
図１６及び図１７においては、全てのｎ型半導体層１５が、端部４７ａと中央部４７ｂを有する例を示したが、最外周のｎ型半導体層１５ｃのみが、端部４７ａと中央部４７ｂを有する構成としても良い。第１実施形態に示した変形例同様、端部４７ａの幅を狭くすることによる耐圧向上の効果が最も顕著に現れるものと考えられる。
また、端部４７ａと中央部４７ｂを有する場合、例えば図１６及び図１７に示すように、並設方向において中央部４７ｂに平行な領域（一点鎖線で囲まれた範囲内の領域）と、それ以外の領域（端部４７ａを含む破線で囲まれた範囲内の領域）を分けて、チャージバランスの設計をするようにしても良い。なお、最外周のｎ型半導体層１５ｃ以外のｎ型半導体層１５についても、端部４７ａと中央部４７ｂとで対象範囲を分けて、チャージバランスの設計をするようにしても良い。
また、本実施形態においては、最外周のｎ型半導体層１５ｃの幅を他のｎ型半導体層１５の幅よりも狭くすることで、その不純物量を他のｎ型半導体層１５の不純物量よりも少なくする例を示した。しかしながら、全てのｎ型半導体層１５の幅を一定とし、最外周のｎ型半導体層１５ｃの不純物濃度を他のｎ型半導体層１５の不純物濃度よりも低くすることで、不純物量を他のｎ型半導体層１５の不純物量よりも多くしても良い。また、幅と不純物濃度によって、最外周のｎ型半導体層１５ｃの不純物量を他のｎ型半導体層１５の不純物量よりも少なくしても良い。
また、本実施形態においては、他のｎ型半導体層１５よりも不純物量が少ない半導体層が、最外周のｎ型半導体層１５ｃの１層のみである例を示した。しかしながら、第２実施形態においてｐ型半導体層１７で例示したように、並設方向において、端部半導体層１７ｃ側から複数のｎ型半導体層１５を不純物量の少ない半導体層としても良い。この場合、端部半導体層１７ｃ側へ不純物量が徐々（連続的、又は、段階的）に少なくなるようにすると、オフ時の電位分布をより滑らかにすることができる。また、第２実施形態に変形例で示したように、端部４７ａも、長手方向において、ｎ−型半導体層２１側に多段に縮幅する構成としても良い。
また、本実施形態においては、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置１００の例を示した。しかしながら、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置（導電型をｐ型とｎ型とで入れ替えた構成）においても、上述した各構成を適用することで、同様乃至それに順ずる効果を期待することができる。
また、本実施形態においては、ｎウェル４３を有する例を示した。しかしながら、ｎウェル４３のない構成としても良い。
（第４実施形態）
図１８は、第４実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図１９は、図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う断面図である。なお、図１及び図２、第１実施形態、第２実施形態、又は第３実施形態に示した構成要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。
上述した各実施形態及びその変形例は、トレンチ埋め込み法によって構成されたｐｎ並設部１９を有する半導体装置１００に関するものであった。これに対し、本実施形態においては、ｐｎ並設部１９の形成方法は特に限定されず、ｐｎ並設部１９を有する半導体装置１００全般において、ｐｎ並設部１９の端部付近のチャージバランスが取ることができる構成を提案する。
図１８及び図１９に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００は、ｎ＋型基板１１に対し、ｎ型半導体層のエピタキシャル成長とｐ型不純物の選択イオン注入を繰り返し（多段に）行うことによって、ｎ型半導体層１５とｐ型半導体層１７が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部１９が構成されている。このように、ｐｎ並設部１９の形成方法が異なる点以外については、基本的に第１実施形態に示した半導体装置１００と同じ構成となっている。
そして、ｐ型半導体層１７のうち、並設方向においてｐｎ並設部１９の端部から一部のｐ型半導体層１７の総不純物量が、ｐｎ並設部１９の端部から一部のｐ型半導体層１７のなかで端部から最も離れたｐ型半導体層１７に対し、ｎ−型半導体層２１とは反対側で隣接するｎ型半導体層１５を長手方向に沿って二分する中線よりも、端部側に位置するｎ型半導体層１５の総不純物量と、端部側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和とほぼ等しくされている。
本実施形態においては、ｐ型半導体層１７の１つが、並設方向におけるｐｎ並設部１９の端部半導体層１７ｅとなっている。そして、図１９に示すように、端部半導体層１７ｅの不純物量が、端部半導体層１７ｅに対してｎ−型半導体層２１とは反対側で隣接するｎ型半導体層１５ｄを長手方向に沿って二分する中線よりも、端部半導体層１７ｅ側に位置するｎ型半導体層１５（ｎ型半導体層１５ｄの半分）の不純物量と、端部半導体層１７ｅ側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和とほぼ等しくされている。より詳しくは、全てのｐ型半導体層１７の不純物濃度がほぼ等しくされ、端部半導体層１７ｅの幅が他のｐ型半導体層１７の幅よりも狭くされることで、上述の不純物量の関係を満たすように構成されている。
このように、本実施形態に係る半導体装置１００によれば、周辺部２５としてｎ−型半導体層２１を有する構成でありながら、全てのｐ型半導体層１７の不純物量をほぼ等しくする場合に比べて、ｐｎ並設部１９の端部付近のチャージバランスを取ることができる。したがって、空乏層がｎ−型半導体層２１を積層方向に垂直な方向（横方向）に伸びやすく、これによって従来よりも周辺部２５の耐圧を向上し、ひいては半導体装置１００全体の耐圧を向上することができる。
なお、端部半導体層１７ｅ以外のｐ型半導体層１７については、並設方向において隣接する２つのｎ型半導体層１５の各半分と少なくともチャージバランスが取れた構成となっていれば良い。これによれば、ｐｎ並設部１９の耐圧を確保することができる。しかしながら、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１を考慮しても良い。例えば図１９に一点鎖線で示す範囲において、１本のｐ型半導体層１７の不純物量が、並設方向において隣接する２つのｎ型半導体層１５の各半分の総不純物量と、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和とほぼ等しくなるようにしても良い。これによれば、長手方向においても、周辺部２５の耐圧を向上し、ひいては半導体装置１００全体の耐圧を向上することができる。
また、本実施形態においては、ｐ型半導体層１７の１つが、ｐｎ並設部１９の端部半導体層１７ｅとされる例を示した。しかしながら、例えば図２０に示すように、ｎ型半導体層１５の１つを、ｐｎ並設部１９の端部半導体層１５eとしても良い。この場合、ｐ型半導体層１７のうち、並設方向において最外周のｐ型半導体層１７ｆよりも端部側には、端部半導体層１５ｅとｎ−型半導体層２１が存在している。このような構成においては、図２０に示すように、最外周のｐ型半導体層１７ｆの不純物量が、ｐ型半導体層１７ｆに対してｎ−型半導体層２１とは反対側で隣接するｎ型半導体層１５ｆを長手方向に沿って二分する中線よりも、端部半導体層１５ｅ側に位置するｎ型半導体層１５（ｎ型半導体層１５ｆの半分、端部半導体層１５ｅ）の不純物量と、端部半導体層１５ｅ側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和とほぼ等しくなるようにすれば良い。図２０においては、一例として、全てのｐ型半導体層１７の不純物濃度がほぼ等しくされ、最外周のｐ型半導体層１７ｆの幅が他のｐ型半導体層１７の幅よりも広くされることで、上述の不純物量の関係を満たすように構成されている。これにより、従来よりも周辺部２５の耐圧を向上し、ひいては半導体装置１００全体の耐圧を向上することができる。図２０は変形例を示す断面図である。
また、本実施形態においては、ｐ型半導体層１７のうち、１つの半導体層（端部半導体層１７ｅ、最外周のｐ型半導体層１７ｆ）によって、並設方向におけるｎ−型半導体層２１とのチャージバランスを取る例を示した。しかしながら、ｐｎ並設部１９の端部側から複数のｐ型半導体層１７の総不純物量が、複数のｐ型半導体層１７のなかで端部から最も離れた半導体層に対し、ｎ−型半導体層２１とは反対側で隣接するｎ型半導体層１５を長手方向に沿って二分する中線よりも、端部側に位置するｎ型半導体層１５の総不純物量と、端部側に位置するｎ−型半導体層２１の不純物量との和とほぼ等しくされた構成としても良い。このように、チャージバランスを取るｐ型半導体層１７を複数とすると、並設方向において不純物量の急峻な変化を抑制して、縦型素子がオフの状態の電位分布を滑らかにすることができる。すなわち半導体装置１００として耐圧をより向上することができる。特に端部側に向けて不純物量が徐々に変化する（増加又は減少）ようにると、オフ時の電位分布をより滑らかにすることができ、ひいては半導体装置１００として耐圧をさらに向上することができる。
また、本実施形態においては、ｐｎ並設部１９を構成する各半導体層１５、１７の幅が、長手方向において一定とされる例を示した。しかしながら、一定幅でない構成としても良い。例えば図２１に示すように、ｐ型半導体層１７を、長手方向における端部４９ａの幅が端部４９ａ間の中央部４９ｂの幅よりも広くされた構成としても良い。このようにすると、長手方向に位置するｎ−型半導体層２１とのチャージバランスに寄与する不純物量を多くすることができる。特に端部半導体層１７ｅ（又は最外周のｐ型半導体層１７ｆ）は、チャージバランスを取るｎ−型半導体層２１の対象が、長手方向の領域だけでなく、並設方向の領域と、並設方向と長手方向のクロス領域（角領域）にも存在する。したがって、端部４９ａを有する構成とすると、耐圧向上の効果が最も顕著に現れるものと考えられる。
図２１は、変形例を示す断面図である。図２１においては、全てのｐ型半導体層１７が、端部４９ａと中央部４９ｂを有する例を示したが、端部半導体層１７ｅ（又は最外周のｐ型半導体層１７ｆ）のみが、端部４９ａと中央部４９ｂを有する構成としても良い。
また、図２１においては、端部４９ａを矩形状としているが、中央部４９ｂ側から徐々（連続的又は段階的、図１０においては連続的を例示）に拡幅する形状としても良い。これによれば、長手方向において、オフ時の電位分布が滑らかとなり、耐圧をより向上させることができる。
また、端部４９ａと中央部４９ｂを有する場合、図２１に示すように、ｎ−型半導体層２１のうち、並設方向において中央部４９ｂに平行な領域（一点鎖線で囲まれた範囲内の領域）を中央部４９ｂでチャージバランスを取るようにし、それ以外の領域（破線で囲まれた範囲内の領域）を端部４９ａでチャージバランスを取るように、端部４９ａと中央部４９ｂとで対象範囲を分けて、チャージバランスの設計をするようにしても良い。なお、端部半導体層１７ｅ（又は最外周のｐ型半導体層１７ｆ）以外のｐ型半導体層１７についても、端部４９ａと中央部４９ｂとで対象範囲を分けて、チャージバランスの設計をするようにしても良い。
また、本実施形態においては、端部半導体層１７ｅの幅を他のｐ型半導体層１７の幅よりも狭くすることで、その不純物量を他のｐ型半導体層１７の不純物量よりも少なくする例を示した。しかしながら、全てのｐ型半導体層１７の幅を一定とし、端部半導体層１７ｅの不純物濃度を他のｐ型半導体層１７の不純物濃度よりも低くすることで、不純物量を他のｐ型半導体層１７の不純物量よりも少なくしても良い。また、幅と不純物濃度によって、端部半導体層１７ｅの不純物量を他のｐ型半導体層１７の不純物量より少なくしても良い。
また、本実施形態においては、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置１００の例を示した。しかしながら、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備える半導体装置（導電型をｐ型とｎ型とで入れ替えた構成）においても、上述した各構成を適用することで、同様乃至それに順ずる効果を期待することができる。
また、本実施形態においては、ｎウェル４３を有する例を示した。しかしながら、ｎウェル４３のない構成としても良い。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
本実施形態においては、各半導体層がシリコンからなる例を示した。しかしながら、シリコンに特に限定されるものではなく、ＳｉＣなどのシリコン以外の半導体を採用することもできる。
本実施形態においては、ｐｎ並設部１９を有する縦型素子として、ＭＯＳＦＥＴの例を示した。しかしながら、縦型素子としてはＭＯＳＦＥＴに特に限定されるものではなく、ＩＧＢＴなどのＭＯＳＦＥＴ以外の素子を適用することもできる。また、縦型素子のゲート電極は、上述したトレンチ構造に限定されず、プレーナ構造としても良い。
本実施形態においては、ｐ−型半導体層２３が、ｐｎ並設部１９からｎ−型半導体層２１にわたって連続的に形成される例を示した。すなわち、周辺部２５として、ｎ−型半導体層２１上に配置されたｐ−型半導体層２３の一部が、ソース電極２９と電気的に接続される例を示した。このような構成とすると、ｎ−型半導体層２１上に配置されたｐ−型半導体層２３の一部が所定電位に固定されるため、空乏層をｎ−型半導体層２１の横方向に伸ばしやすくなる。しかしながら、例えば図２２に示すように、ｎ−型半導体層２１上に配置されたｐ−型半導体層５１が、ソース電極２９と電気的に接続されず、浮遊電位とされた構成としても良い。このような構成としても、所定電位に固定された構成よりは劣るものの、ｐ−型半導体層５１とｎ−型半導体層２１の接合部から空乏層が広がるので、各実施形態に示した構成とすることで、耐圧を向上させることができる。例えばｐ−型半導体層５１としては、幅を０．５μｍ〜１０μｍ程度、隣り合うｐ−型半導体層５１の間隔を１〜１０μｍ、積層方向の厚さを０．２μｍ〜１０μｍ、不純物濃度をｎ−型半導体層２１よりも高い（濃い）不純物濃度、例えば１×１０１５ｃｍ−３〜３×１０１６ｃｍ−３とすることができる。なお、図２２に示すように、並設方向において、フィールドプレート２９ａの端部の位置を、ｐ−型半導体層５１と重なる位置とすると、フィールドプレート２９ａの端部下方での電界集中を緩和することができる。また、図２２においては、周辺部２５において、ｎ−型半導体層２１上に複数（図中５つ）のｐ−型半導体層５１が配置される例を示した。しかしながら、ｐ−型半導体層５１の個数は特に限定されるものではない。図２２は、その他変形例を示す断面図であり、図中の符号５３は、ｐ−型半導体層５１と電気的に分離されたｐ型半導体層である。
また、図２３に示すように、ｐ−型半導体層２３（又はｐ−型半導体層５１）を有しおらず、ｎ−型半導体層２１上にフィールド酸化層２７が直接接して配置された構成としても良い。ｐ−型半導体層２３（又はｐ−型半導体層５１）による効果がなくなるものの、各実施形態に示した構成とすることで、耐圧を向上させることができる。図２３は、その他変形例を示す断面図である。
トレンチ埋め込み法によって形成されたｐｎ並設部を有する従来の半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 ドレインーソース電圧とドレイン電流との関係を示す図である。 ブレイクダウン時の電位分布を示す図である。 第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である ドレインーソース電圧とドレイン電流との関係を示す図である。 ブレイクダウン時の電位分布を示す図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。 変形例を示す断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う断面図である。 変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。
符号の説明
１１・・・ｎ＋基板（第１半導体層）
１５・・・ｎ型半導体層（第２半導体層）
１５ｃ・・・最外周のｎ型半導体層（少不純物層）
１７・・・ｐ型半導体層（第３半導体層）
１７ａ・・・最外周のｐ型半導体層（多不純物層）
１５ａ，１７ｃ・・・端部半導体層
１９・・・ｐｎ並設部
２１・・・ｎ−型半導体層（第４半導体層）
２３・・・ｐ−型半導体層（第５半導体層）
２５・・・周辺部
１００・・・半導体装置

Claims (20)

  1. 第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、
    前記積層方向と直交する方向において前記ｐｎ並設部に隣接配置され、前記第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、
    前記ｐｎ並設部は、前記第２半導体層と前記第３半導体層の並設方向において前記周辺部に隣接する端部半導体層が前記第２半導体層とされ、
    前記端部半導体層としての第２半導体層の不純物量は、他の前記第２半導体層の不純物量の半分以上とされ、
    前記並設方向に多層に配置された前記第３半導体層のうち、前記端部半導体層側から一部の前記第３半導体層が、他の前記第３半導体層よりも不純物量の多い多不純物層とされていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記多不純物層の総不純物量は、
    前記並設方向において、前記端部半導体層から最も離れた前記多不純物層に前記端部半導体層とは反対側で隣接する前記第２半導体層を二分する中線よりも、前記端部半導体層側に位置する前記第２半導体層の総不純物量と、前記端部半導体層側に位置する前記第４半導体層の不純物量との和以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 全ての前記第３半導体層において、不純物濃度がほぼ等しくされ、
    前記多不純物層の幅が、他の前記第３半導体層の幅よりも広くされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第３半導体層は、前記積層方向及び前記並設方向に直交する方向において、前記幅がほぼ一定とされていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記第３半導体層は、前記積層方向及び前記並設方向に直交する方向における端部の幅が、前記端部間の中央部の幅よりも広くされていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  6. 前記多不純物層は、複数の前記第３半導体層からなることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記多不純物層を構成する複数の第３半導体層は、他の前記第３半導体層側から前記端部半導体層側に向けて、各前記第３半導体層の不純物量が徐々に多くされていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  8. 第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、
    前記積層方向と直交する方向において前記ｐｎ並設部に隣接配置され、前記第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、
    前記ｐｎ並設部は、前記第２半導体層と前記第３半導体層の並設方向において前記周辺部と隣接する端部半導体層が前記第３半導体層とされ、
    前記端部半導体層としての第３半導体層の不純物量は、他の前記第３半導体層の不純物量の半分以上とされ、
    前記並設方向に多層に配置された前記第２半導体層のうち、前記端部半導体層側から一部の前記第２半導体層が、他の前記第２半導体層よりも不純物量の少ない少不純物層とされていることを特徴とする半導体装置。
  9. 前記少不純物層の総不純物量は、
    前記並設方向において、前記端部半導体層から最も離れた前記少不純物層に前記端部半導体層とは反対側で隣接する前記第３半導体層を二分する中線よりも、前記端部半導体層側に位置する前記第３半導体層の総不純物量と、前記端部半導体層側に位置する前記第４半導体層の不純物量との差以上とされていることを特徴とする請求項８に記載の半導体置。
  10. 全ての前記第２半導体層において、不純物濃度がほぼ等しくされ、
    前記少不純物層の幅が、他の前記第２半導体層の幅よりも狭くされていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記第２半導体層は、前記積層方向及び前記並設方向に直交する方向において、前記幅がほぼ一定とされていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記第２半導体層は、前記積層方向及び前記並設方向に直交する方向における端部の幅が、前記端部間の中央部の幅よりも狭くされていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
  13. 前記少不純物層は、複数の前記第２半導体層からなることを特徴とする請求項８〜１２いずれか１項に記載の半導体装置。
  14. 前記少不純物層を構成する複数の第２半導体層は、他の前記第２半導体層側から前記端部半導体層側に向けて、各前記第２半導体層の不純物量が徐々に少なくされていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
  15. 第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に積層され、この積層方向と直交する一方向に、ドリフト層としての第１導電型の第２半導体層と第２導電型の第３半導体層が互いに隣接して交互に並設されたｐｎ並設部と、
    前記積層方向と直交する方向において前記ｐｎ並設部に隣接配置され、前記第２半導体層よりも不純物濃度の低い第１導電型の第４半導体層を少なくとも有する周辺部と、を備える半導体装置であって、
    前記第３半導体層のうち、前記第２半導体層と前記第３半導体層の並設方向において前記ｐｎ並設部の端部から一部の前記第３半導体層の総不純物量が、
    前記ｐｎ並設部の端部から一部の前記第３半導体層のなかで前記端部から最も離れた第３半導体層に対し、前記周辺部とは反対側で隣接する前記第２半導体層を二分する中線よりも、前記端部側に位置する前記第２半導体層の総不純物量と、
    前記端部側に位置する前記第４半導体層の不純物量との和とほぼ等しくされていることを特徴とする半導体装置。
  16. 前記周辺部における前記第１半導体層とは反対側の表面上に絶縁層が配置され、
    前記ｐｎ並設部上から前記絶縁層上の少なくともｐｎ並設部側にかけて主電極が配置されていることを特徴とする請求項１〜１５いずれか１項に記載の半導体装置。
  17. 前記周辺部は、前記第４半導体層における前記第１半導体層とは反対側の表面に隣接して積層された第２導電型の第５半導体層を有することを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
  18. 前記第５半導体層は、前記ｐｎ並設部における前記第１半導体層とは反対側の表面上にも配置され、前記主電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
  19. 前記周辺部は、前記第５半導体層を少なくとも１つ有し、
    前記第５半導体層は、浮遊電位とされていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
  20. 前記並設方向において、前記絶縁層上に位置する前記主電極の端部が、前記第５半導体層と重なる位置とされていることを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の半導体装置。
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