[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2012195519A - Semiconductor element and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor element and manufacturing method therefor Download PDF

Info

Publication number
JP2012195519A
JP2012195519A JP2011059992A JP2011059992A JP2012195519A JP 2012195519 A JP2012195519 A JP 2012195519A JP 2011059992 A JP2011059992 A JP 2011059992A JP 2011059992 A JP2011059992 A JP 2011059992A JP 2012195519 A JP2012195519 A JP 2012195519A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
junction termination
jte
layer
sic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011059992A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsunenobu Kimoto
恒暢 木本
Atsushi Suda
淳 須田
Gan Feng
淦 馮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyoto University NUC
Original Assignee
Kyoto University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyoto University NUC filed Critical Kyoto University NUC
Priority to JP2011059992A priority Critical patent/JP2012195519A/en
Publication of JP2012195519A publication Critical patent/JP2012195519A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simply provide a termination structure (junction termination structure) which does not significantly affect the reverse breakdown voltage of an SiC semiconductor device, even if the process conditions vary in the impurity addition process or the passivation film formation process.SOLUTION: The SiC semiconductor element has a junction termination structure consisting of a first conductivity type breakdown voltage sustention layer and a region of second conductivity type different from the first conductivity type having an infinite length, in the outer peripheral end of the element. The junction termination structure is formed so that the impurity concentration of the first conductivity type region is not uniform in the first direction, i.e. the layer direction, in a part of the junction termination structure but is modulated spatially from the outer peripheral end of the element as the inside end of the junction termination structure toward the outside end of the junction termination structure to decrease gradually.

Description

本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、高耐圧構造を有する半導体技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor element and a method for manufacturing the semiconductor element, and more particularly to a semiconductor technology having a high voltage structure.

炭化珪素(SiC)などのワイドギャップ半導体材料は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊強度が約10倍高いなど各種の優れた特性を有しており、高い耐逆電圧特性を有する高耐圧パワー半導体装置に好適な材料として注目されている。パワー半導体装置は、ショットキーダイオードやMOSFET、JFETなどのユニポーラ素子とpnダイオードやバイポーラトランジスタ、IGBT、GTOサイリスタなどのバイポーラ素子に分類されるが、SiCはいずれの素子でもSiの場合に比べて電力損失の大幅な低減を実現できる。   Wide gap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) have various excellent characteristics such as about 10 times higher dielectric breakdown strength than silicon (Si), and high withstand voltage power with high reverse voltage resistance. It attracts attention as a material suitable for semiconductor devices. Power semiconductor devices are classified into unipolar elements such as Schottky diodes, MOSFETs, and JFETs, and bipolar elements such as pn diodes, bipolar transistors, IGBTs, and GTO thyristors, but SiC is more power than Si. A significant reduction in loss can be realized.

SiCを用いた従来のpnダイオードとして、例えば図18に示すようなメサ構造の素子がある。このpnダイオードでは、一方の面にカソード電極105を形成したSiC単結晶n+型基板101の他方の面にn型耐圧維持層102が形成され、n型耐圧維持層102の中央部にp型電荷注入層103が形成されている。p型電荷注入層103の両側には、ターミネーション用のp型層151が形成されている。   As a conventional pn diode using SiC, for example, there is an element having a mesa structure as shown in FIG. In this pn diode, an n-type breakdown voltage maintaining layer 102 is formed on the other surface of an SiC single crystal n + type substrate 101 having a cathode electrode 105 formed on one surface, and a p-type is formed at the center of the n-type breakdown voltage maintaining layer 102. A charge injection layer 103 is formed. A p-type layer 151 for termination is formed on both sides of the p-type charge injection layer 103.

ここで「ターミネーション」(接合終端)とは、高耐圧半導体素子の電流が流されるpn接合部の周囲における電界集中を緩和するために、このpn接合部の周囲に設けた各種の半導体構造のことである。図18のpnダイオードでは、電流を流すためのpn接合と、電界集中を緩和するためのターミネーション用のp型層151とn型耐圧維持層102との間のpn接合が、硼素やアルミニウム等のイオン打ち込みにより形成されている。   Here, “termination” (junction termination) refers to various semiconductor structures provided around the pn junction in order to alleviate electric field concentration around the pn junction through which the current of the high breakdown voltage semiconductor element flows. It is. In the pn diode of FIG. 18, a pn junction for passing a current and a pn junction between a termination p-type layer 151 and an n-type breakdown voltage maintaining layer 102 for reducing electric field concentration are made of boron, aluminum, or the like. It is formed by ion implantation.

さらに、下記特許文献1では、メサ壁部またはメサ壁部およびメサ周辺部に、その表面とpn接合界面とを空間的に分離する通電劣化防止層を形成した技術が開示されている。その図3に相当する図19に示す構造は、メサ周辺部210に電界緩和層231を形成している。この電界緩和層231は、p型不純物をイオン打ち込みすることによって形成される。   Further, Patent Document 1 below discloses a technique in which an energization deterioration preventing layer that spatially separates the surface and the pn junction interface is formed on the mesa wall portion or the mesa wall portion and the mesa peripheral portion. In the structure shown in FIG. 19 corresponding to FIG. 3, the electric field relaxation layer 231 is formed in the mesa peripheral portion 210. This electric field relaxation layer 231 is formed by ion implantation of p-type impurities.

電界緩和層231を形成することによって、逆方向電圧の印加時に、電界緩和層231を形成した領域に空乏層が広がり、この空乏層によって耐圧性能がさらに向上する。電界緩和層231は、メサの周囲に環状に形成される。また、電界緩和層231は、p型導電層220から連続して形成されている。なお、本明細書では、メサ形ダイオードを例に挙げて接合終端構造に関する発明を説明するが、本発明はメサ形ダイオードに限定されるものではなく、プレーナ型でも良い。また、主としてpn接合ダイオードを例として説明するが、ショットキーダイオードやMOSFETなどのユニポーラ素子、GTOサイリスタやIGBTなどのバイポーラ素子にも適用可能である。   By forming the electric field relaxation layer 231, when a reverse voltage is applied, a depletion layer spreads in a region where the electric field relaxation layer 231 is formed, and the breakdown voltage performance is further improved by this depletion layer. The electric field relaxation layer 231 is formed in an annular shape around the mesa. The electric field relaxation layer 231 is formed continuously from the p-type conductive layer 220. In the present specification, the invention related to the junction termination structure is described by taking a mesa diode as an example. However, the present invention is not limited to the mesa diode but may be a planar type. Although a pn junction diode will mainly be described as an example, it can also be applied to unipolar elements such as Schottky diodes and MOSFETs, and bipolar elements such as GTO thyristors and IGBTs.

電界緩和層231の1つの態様では、p型の不純物の濃度がそれぞれ異なり、径方向に連続した複数の環状の層から電界緩和層231が構成されている。特に、JTE(Junction Termination Extension)構造であることが好ましい。電界緩和層231の具体的な構造の一例を図19に示した。図19(a)では、複数の連続した環状のp型ターミネーション231a〜231cによって電界緩和層231を形成している。これらのp型ターミネーション231a〜231cにおける不純物濃度は互いに異なっている。一例としては、最外縁に向かって不純物濃度を徐々に減少させる。p型ターミネーション231a〜231cは、径方向の幅をほぼ同じ長さとしてもよいが、同図のように内側のp型ターミネーション231aの径方向の幅を長くするなど、互いに異なる幅としてもよい。また、同図では環状のp型ターミネーションの数を3つとしているが、さらにその数を多くしてもよい。図19(b)では、複数の離間した環状のp型ターミネーション231d〜231gによって電界緩和層231を形成している。   In one aspect of the electric field relaxation layer 231, the concentration of the p-type impurity is different, and the electric field relaxation layer 231 is composed of a plurality of annular layers that are continuous in the radial direction. In particular, a JTE (Junction Termination Extension) structure is preferable. An example of a specific structure of the electric field relaxation layer 231 is shown in FIG. In FIG. 19A, the electric field relaxation layer 231 is formed by a plurality of continuous annular p-type terminations 231a to 231c. The impurity concentrations in these p-type terminations 231a to 231c are different from each other. As an example, the impurity concentration is gradually decreased toward the outermost edge. The p-type terminations 231a to 231c may have substantially the same radial width, but may have different widths such as increasing the radial width of the inner p-type termination 231a as shown in FIG. Further, although the number of annular p-type terminations is three in the figure, the number may be further increased. In FIG. 19B, the electric field relaxation layer 231 is formed by a plurality of spaced annular p-type terminations 231d to 231g.

特開2005−259037号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-259037

上記特許文献1では、メサ構造における耐圧を高めるために、複数の離間した環状のp型ターミネーション231d〜231gによって電界緩和層231を形成している。   In Patent Document 1, the electric field relaxation layer 231 is formed of a plurality of spaced annular p-type terminations 231d to 231g in order to increase the breakdown voltage in the mesa structure.

しかしながら、特許文献1には、「これらのp型ターミネーション231d〜231gにおける不純物濃度は互いに同一であっても異なっていてもよい。p型ターミネーション231d〜231gは、同図のように内側のp型ターミネーション231dの径方向の幅を長くするなど、互いに異なる幅としてもよい。また、同図では環状のp型ターミネーションの数を4つとしているが、さらにその数を多くしてもよい」と記載されているものの、メサ構造における耐圧を高めるために電解緩和層を設けるものであり、p型ターミネーション231d〜231gにおける、イオン注入や不純物拡散工程における不純物濃度のばらつきに関する考慮はなされていない。   However, Patent Document 1 states that “the impurity concentrations in these p-type terminations 231d to 231g may be the same or different from each other. The p-type terminations 231d to 231g are arranged in the inner p-type as shown in FIG. The width may be different from each other, for example, by increasing the radial width of the termination 231d.Although the number of annular p-type terminations is four in the figure, the number may be further increased. " However, an electrolytic relaxation layer is provided in order to increase the breakdown voltage in the mesa structure, and consideration is not given to variations in impurity concentration in the ion implantation and impurity diffusion processes in the p-type terminations 231d to 231g.

しかしながら、SiCでは、イオン注入後の活性化のアニールを行った場合に、Siなどと異なり、活性化アニールやイオン注入のわずかな条件のばらつきにより活性化率が大きく変化し、注入層であるp型ターミネーション231d〜231gの不純物濃度が大きくばらつき、逆方向耐圧が意図したものと異なる低い値になってしまうことがしばしば生じるという問題点があった。また、表面保護に用いる絶縁膜とSiCの界面に比較的高密度の電荷が存在するため、これが電荷のバランスを崩して設計どおりの逆方向耐圧が得られないことも多い。   However, in SiC, when activation annealing after ion implantation is performed, unlike Si and the like, the activation rate changes greatly due to slight variations in conditions of activation annealing and ion implantation, and p is the implanted layer. There is a problem that the impurity concentrations of the mold terminations 231d to 231g greatly vary, and the reverse breakdown voltage often becomes a low value different from the intended one. In addition, since a relatively high-density electric charge exists at the interface between the insulating film used for surface protection and SiC, this often breaks the balance of electric charges, and the reverse breakdown voltage as designed is often not obtained.

本発明は、上記の問題点を解決し、例えば、SiC半導体構造において、不純物添加工程におけるプロセス条件のばらつきがあっても、逆方向耐圧に大きな影響を与えない新たなターミネーション構造(接合終端構造)を提供することを目的とする。また、このような技術に基づいて、安定した逆方向耐圧を有するSiC半導体製造技術を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems. For example, in a SiC semiconductor structure, a new termination structure (junction termination structure) that does not significantly affect the reverse breakdown voltage even if there are variations in process conditions in the impurity addition step. The purpose is to provide. Another object of the present invention is to provide a SiC semiconductor manufacturing technique having a stable reverse breakdown voltage based on such a technique.

本発明の一観点によれば、素子の外周端部に、第1導電型(例えばn型)の耐圧維持層および有限長さの前記第1導電型とは異なる第2導電型(例えばp型)の領域からなる接合終端構造を備えたSiC半導体素子であって、前記接合終端構造の一部において、第1の方向である層方向に対して(均一ではなく)、前記接合終端領域の内側端であって前記素子の外周端から前記接合終端領域の外側端に向かって、前記第1導電型(例えばp型)領域の不純物濃度が空間的に変調され、(巨視的に見た平均的な)不純物濃度が徐々に減少する傾向を持って形成された接合終端構造を有することを特徴とするSiC半導体素子が提供される。   According to one aspect of the present invention, a first conductivity type (for example, n-type) breakdown voltage maintaining layer and a second conductivity type (for example, a p-type) different from the first conductivity type having a finite length are provided at an outer peripheral end of the element. ) Region of the junction termination structure, and a part of the junction termination structure is not uniform with respect to the layer direction which is the first direction (not uniform) inside the junction termination region. The impurity concentration of the first conductivity type (for example, p-type) region is spatially modulated from the outer peripheral end of the element toward the outer end of the junction termination region (average viewed macroscopically) There is provided a SiC semiconductor device having a junction termination structure formed with a tendency that the impurity concentration gradually decreases.

上記のSiC半導体素子によれば、前記第1導電型領域の不純物濃度が空間的に変調され、巨視的に見た平均的な不純物濃度が徐々に減少する傾向を持って形成された接合終端構造を有しているため、均一な不純物濃度の接合終端構造の場合に比べて、表面及びバルクの電界集中が抑制される。従って、不純物濃度のバラツキに依存する半導体素子の逆方向耐圧の低下を抑制することができる。   According to the SiC semiconductor device described above, the junction termination structure is formed such that the impurity concentration of the first conductivity type region is spatially modulated and the average impurity concentration viewed macroscopically tends to gradually decrease. Therefore, the electric field concentration on the surface and the bulk is suppressed as compared with the junction termination structure having a uniform impurity concentration. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the reverse breakdown voltage of the semiconductor element that depends on the variation in impurity concentration.

前記接合終端構造において、前記第1の方向と交差する第2の方向である深さ方向に前記第2導電型の不純物濃度分布が同じである領域が、層方向に対して複数に分割されており、かつ、その分割された領域の幅が前記接合終端領域の外側に向かって狭くなる傾向を持って形成されているようにすることが好ましい。   In the junction termination structure, a region having the same impurity concentration distribution of the second conductivity type in a depth direction which is a second direction intersecting the first direction is divided into a plurality of layers in the layer direction. In addition, it is preferable that the width of the divided region is formed with a tendency to narrow toward the outside of the junction termination region.

深さ方向に前記第2導電型の不純物濃度分布が同じである領域が、層方向に対して複数に分割され、その分割された領域の幅が前記接合終端領域の外側に向かって狭くなる傾向を持って形成されているため、簡単な構造で、巨視的に見た平均的な不純物濃度が徐々に減少する傾向を持って形成された接合終端構造を実現することができる。   A region having the same impurity concentration distribution of the second conductivity type in the depth direction is divided into a plurality of layers in the layer direction, and the width of the divided region tends to narrow toward the outside of the junction termination region. Therefore, it is possible to realize a junction termination structure formed with a simple structure and having a tendency that the average impurity concentration seen macroscopically decreases gradually.

また、前記接合終端構造において、前記第1の方向と交差する第2の方向である深さ方向に前記第2導電型の不純物濃度分布が同じである領域が、層方向に対して複数に分割されており、かつ、分割された領域の間隔が前記接合終端領域の外側に向かって広がる傾向を持って形成されていても良い。この構造においても、簡単な構造で、巨視的に見た平均的な不純物濃度が徐々に減少する傾向を持って形成された接合終端構造を実現することができる。   In the junction termination structure, a region in which the second conductivity type impurity concentration distribution is the same in the depth direction, which is the second direction intersecting the first direction, is divided into a plurality of layers in the layer direction. In addition, the distance between the divided regions may be formed with a tendency to expand toward the outside of the junction termination region. Even in this structure, it is possible to realize a junction termination structure formed with a simple structure and having a tendency that the average impurity concentration seen macroscopically gradually decreases.

また、前記の接合終端構造において、層方向に分割された領域の幅をLWj(jは自然数で接合終端領域の内側から番号を付す)、領域の間隔をLSjとするとき、LWj+1/(LWj+1 + LSj+1) = A×LWj/(LWj + LSj) (ここでA は0.1〜0.9の範囲の実数であり、0.5〜0.8が望ましい)なる関係が成り立つように平均的な不純物濃度が空間変調されていることが好ましい。
当該関係をもつことで、より効果的に電界集中を抑制することができる。
In the junction termination structure, when the width of the region divided in the layer direction is L Wj (j is a natural number and is numbered from the inside of the junction termination region), and the interval between the regions is L Sj , L Wj + 1 / (L Wj + 1 + L Sj + 1 ) = A × L Wj / (L Wj + L Sj ) (where A is a real number in the range of 0.1 to 0.9, preferably 0.5 to 0.8) It is preferable that the average impurity concentration is spatially modulated so as to hold.
By having this relationship, electric field concentration can be more effectively suppressed.

また、本発明は、上記いずれか1に記載のSiC半導体素子の製造方法であって、前記第2導電型の不純物を一括して添加する工程を有することを特徴とするSiC半導体素子の製造方法である。これにより、前記第2導電型の不純物を添加するために所要工程を少なくすることができる。   In addition, the present invention provides a method for manufacturing an SiC semiconductor device according to any one of the above, wherein the method includes a step of collectively adding the second conductivity type impurity. It is. Accordingly, it is possible to reduce the number of steps required for adding the second conductivity type impurity.

本発明によれば、SiC半導体素子において、不純物添加工程や表面保護膜の形成におけるプロセス条件のばらつきがあっても、逆方向耐圧に大きな影響を与えない新たなターミネーション構造(接合終端構造)が得られる。また、このような技術に基づいて、安定した逆方向耐圧を有するSiC半導体素子製造技術を提供することができる。   According to the present invention, a new termination structure (junction termination structure) that does not significantly affect the reverse breakdown voltage even if there are variations in process conditions in the impurity addition step and the formation of the surface protective film is obtained in the SiC semiconductor device. It is done. Moreover, based on such a technique, a SiC semiconductor element manufacturing technique having a stable reverse breakdown voltage can be provided.

SiC高耐圧半導体素子の基本構造の一例を示す構造断面図である。It is structural sectional drawing which shows an example of the basic structure of a SiC high voltage | pressure-resistant semiconductor element. 図1に示す構造における、内側のJTE構造のドーズ量と、高耐圧SiC半導体装置の逆方向耐圧(V)との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a dose amount of an inner JTE structure and a reverse breakdown voltage (V) of a high breakdown voltage SiC semiconductor device in the structure shown in FIG. 1. 本実施の形態による高耐圧SiC半導体素子の一構成例を示す構造断面図であり、図3(a)は、図1(a)に対応する図であり、図3(b)は、図3(a)の要部の構成を示す図である。FIG. 3 is a structural cross-sectional view showing a configuration example of a high voltage SiC semiconductor element according to the present embodiment, FIG. 3A is a diagram corresponding to FIG. 1A, and FIG. It is a figure which shows the structure of the principal part of (a). 図3に示す構造と、それを上側から見た図とを対応させて示した図である。It is the figure which matched and showed the structure shown in FIG. 3, and the figure which looked at it from the upper side. 本実施の形態による空間変調構造の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spatial modulation structure by this Embodiment. 本実施の形態による空間変調構造の例を示す図であり、図5Aに続く図である。It is a figure which shows the example of the spatial modulation structure by this Embodiment, and is a figure following FIG. 5A. 1ゾーンJTE、1ゾーンJTE+1R(リング)、1ゾーンJTE+3R(Ls/Lw=10/10μm)、1ゾーンJTE+5R(Ls/Lw=10/10μm)、2ゾーンJTE、1ゾーンJTE+5SMR(空間変調リング: Ls/Lw=6/14−8/12−10/10−12/8−14/6)の場合の、逆方向耐圧のp型不純物のドーズ依存性を示す図である。1 zone JTE, 1 zone JTE + 1R (ring), 1 zone JTE + 3R (Ls / Lw = 10/10 μm), 1 zone JTE + 5R (Ls / Lw = 10/10 μm), 2 zone JTE, 1 zone JTE + 5 SMR (spatial modulation ring: Ls It is a figure which shows the dose dependence of the p-type impurity of a reverse breakdown voltage in the case of / Lw = 6 / 14-8 / 12-10 / 10-12 / 8-14 / 6). 図5A(c)の2ゾーンJTE+3SMR(空間変調リング)の場合を例にしてその製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process for the case of 2 zone JTE + 3SMR (spatial modulation ring) of FIG. 5A (c) as an example. JTE領域の作成工程を示す図であり、図7に続く図である。It is a figure which shows the creation process of a JTE area | region, and is a figure following FIG. 図8に続く工程を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a process following the process in FIG. 8. 電極の製造工程を示す図8に続く図である。It is a figure following FIG. 8 which shows the manufacturing process of an electrode. 1ゾーンJTE構造)図11(a))と、1ゾーンJTE+3SMR(図11(b): 図5A(b)の1ゾーンJTE+3SM)構造とにおける電界分布例を示す図である。1 zone JTE structure) FIG. 11A) and an example of electric field distribution in 1 zone JTE + 3SMR (FIG. 11B: 1 zone JTE + 3SM in FIG. 5A (b)) structure. 図11(a)と図11(b)における表面電界の位置(メサエッジからの距離)依存性を示す図である。It is a figure which shows the position (distance from a mesa edge) dependence of the surface electric field in Fig.11 (a) and FIG.11 (b). n回のイオン注入により、(2−1)の空間変調構造を形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming the spatial modulation structure of (2 n -1) by n times of ion implantation. 図13の構造を含む4H−SiCPINダイオードであって、トータルのJTE幅が600μmの場合の、逆方向耐圧の最も内側のJTEへのドーズ量依存性を示す図である。It is a 4H-SiCPIN diode including the structure of FIG. 13, and shows the dose dependency of the reverse breakdown voltage on the innermost JTE when the total JTE width is 600 μm. 本実施の形態による高耐圧SiC半導体素子の一例を示す構造断面図である。It is a structural sectional view showing an example of a high voltage SiC semiconductor device according to the present embodiment. 第1応用例であるSiCパワーMOSFETからなる半導体素子である。It is a semiconductor element which consists of SiC power MOSFET which is a 1st application example. ショットキーダイオードの構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a structure of a Schottky diode. メサ構造の高耐圧ダイオードの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high voltage | pressure-resistant diode of mesa structure. メサ周辺部に電界緩和層を形成した例を示す図である。It is a figure which shows the example which formed the electric field relaxation layer in the mesa peripheral part.

以下に本発明の実施の形態による半導体技術について、高耐圧のSiC−pn接合を用いた高電力素子(以下、高耐圧SiC半導体素子と称する。)を例にして説明する。以下のおいては、p型(第1導電型)、n型(第2導電型)を区別して説明するが、pとnとが逆の構造であっても同様である。また、以下では、メサ型構造を例にしているが、プレーナ構造であっても良い。   Hereinafter, a semiconductor technology according to an embodiment of the present invention will be described using a high power device (hereinafter referred to as a high voltage SiC semiconductor device) using a high voltage SiC-pn junction as an example. In the following description, the p-type (first conductivity type) and the n-type (second conductivity type) will be described separately, but the same applies to structures in which p and n are reversed. In the following, a mesa structure is taken as an example, but a planar structure may be used.

図1は、高耐圧半導体素子の基本構造の一例を示す構造断面図である。図1(a)は、RESURF(表面電界緩和)領域を備えた高耐圧SiC半導体素子の一例を示す構造断面図である。図1(a)に示すように、JTE(RESURF)領域を備えた高耐圧SiC半導体素子は、4H−SiCのn型基板1と、その一面側(図では上面側)に形成されたn−SiC層(第1導電型の耐圧維持層、例えば、一例として、厚さ120μm、n型不純物濃度1.0×1014cm−3)3と、その上にメサ形成技術により島状に形成されたp−SiC層5と、その上に形成されたアノード電極7と、n型基板1の他の一面(図では下面)に形成されたカソード電極11と、からなるダイオード素子を有している。さらに、このダイオード素子の外周端部、すなわち、メサ形状のp−SiC層5の端部から延びて、n−SiC層3の表面領域に端部から有限の長さまでp−SiC(第2導電型)からなる第1のJTE(接合終端)領域12が形成されている。p−SiC層5のp型不純物濃度は、例えば、1020cm−3程度である。第1のJTE領域12のp型不純物濃度は、例えば1016〜1017cm−3程度である。n−SiC層3上は、SiOなどの絶縁膜で覆われており、その上には、アノード電極7を開口するポリイミド15が形成されている。 FIG. 1 is a structural sectional view showing an example of a basic structure of a high voltage semiconductor device. FIG. 1A is a structural cross-sectional view showing an example of a high breakdown voltage SiC semiconductor element having a RESURF (surface electric field relaxation) region. As shown in FIG. 1A, a high breakdown voltage SiC semiconductor element having a JTE (RESURF) region includes a 4H—SiC n-type substrate 1 and an n formed on one surface side (the upper surface side in the drawing). -SiC layer (first conductivity type withstand voltage maintaining layer, for example, 120 μm in thickness and n-type impurity concentration of 1.0 × 10 14 cm −3 as an example) 3 and an island shape formed thereon by mesa formation technology A diode element comprising the formed p + -SiC layer 5, the anode electrode 7 formed thereon, and the cathode electrode 11 formed on the other surface (the lower surface in the figure) of the n-type substrate 1. ing. Further, the p-SiC (first layer) extends from the outer peripheral end of the diode element, that is, the end of the mesa-shaped p + -SiC layer 5 to the surface region of the n -SiC layer 3 from the end to a finite length. A first JTE (junction termination) region 12 of 2 conductivity type is formed. The p type impurity concentration of the p + -SiC layer 5 is, for example, about 10 20 cm −3 . The p-type impurity concentration of the first JTE region 12 is, for example, about 10 16 to 10 17 cm −3 . The n -SiC layer 3 is covered with an insulating film such as SiO 2, and a polyimide 15 that opens the anode electrode 7 is formed thereon.

図1(b)に示す半導体素子では、図1(a)の構造に加えて、第1のJTE(接合終端)領域12b内に、不純物濃度がより高い第2のJTE(接合終端:第3導電領域)領域12aが形成された2ゾーンJTE構造となっている。第2のJTE(接合終端)領域12aのp型不純物濃度は、例えば1017cm−3程度である。
尚、不純物濃度等のパラメータはあくまで例示であり、実施できる範囲内において、任意に選択可能である。
In the semiconductor element shown in FIG. 1B, in addition to the structure shown in FIG. 1A, a second JTE (junction termination: third) having a higher impurity concentration in the first JTE (junction termination) region 12b. It has a two-zone JTE structure in which a conductive region) region 12a is formed. The p-type impurity concentration of the second JTE (junction termination) region 12a is, for example, about 10 17 cm −3 .
It should be noted that the parameters such as the impurity concentration are merely examples, and can be arbitrarily selected within a practicable range.

図2は、上記図1に示す構造における、内側のJTE構造のドーズ量と、高耐圧SiC半導体素子の逆方向耐圧(V)との関係を示す図である。図2からもわかるように、1ゾーンJTE構造の高耐圧SiC半導体素子に比べて、2ゾーンJTE構造の高耐圧SiC半導体素子では、耐圧自体が少し高くなるとともに、広いドーズ量の範囲で高い逆方向耐圧を示すことがわかる。このように、JTE構造を2つ形成することで、逆方向耐圧のドーズ量依存性が少なくなるが、不純物濃度の異なる2つのJTEを作成するために、コストが高くなり、工程も複雑になる。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the dose amount of the inner JTE structure and the reverse breakdown voltage (V) of the high breakdown voltage SiC semiconductor element in the structure shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, the high breakdown voltage SiC semiconductor element having the two-zone JTE structure has a slightly higher breakdown voltage than the one-zone JTE structure high breakdown voltage SiC semiconductor element, and a high reverse in a wide dose range. It can be seen that the directional breakdown voltage is shown. As described above, by forming two JTE structures, the dose dependency of the reverse breakdown voltage is reduced. However, since two JTEs having different impurity concentrations are produced, the cost is increased and the process is also complicated. .

図3は、本実施の形態による高耐圧SiC半導体素子の一構成例を示す構造断面図であり、図3(a)は、図1(a)に対応する図であり、図3(b)は、図3(a)の要部の構成を示す図である。それぞれの層のパラメータ(厚さ、ドーズ量等)は、基本的に図1のものと同様である。尚、図1(a)のJTE12は、図3(a)以下では、1ゾーンJTE13+SMR(空間変調)構造21の接続終端に相当する。   FIG. 3 is a structural cross-sectional view showing a configuration example of the high voltage SiC semiconductor element according to the present embodiment, FIG. 3A is a diagram corresponding to FIG. 1A, and FIG. These are figures which show the structure of the principal part of Fig.3 (a). The parameters (thickness, dose, etc.) of each layer are basically the same as those in FIG. The JTE 12 in FIG. 1A corresponds to the connection termination of the one-zone JTE 13 + SMR (spatial modulation) structure 21 in FIG.

図3(a)に示す構造は、図1(a)に示す構造に加えて、n−SiC層3(耐圧維持層)内に形成され、アノード7から離れる方向側のJTE13の端部に近接し、p−SiC層5の端部から遠ざかる方向に向けてp型不純物の実効的な不純物濃度が減少する傾向をもって形成された空間変調構造21を有している。JTE13と空間変調構造21とにより、接合終端構造が形成されている。 The structure shown in FIG. 3A is formed in the n -SiC layer 3 (breakdown voltage maintaining layer) in addition to the structure shown in FIG. 1A, and is formed at the end of the JTE 13 on the direction side away from the anode 7. The spatial modulation structure 21 is formed so as to tend to decrease in the effective impurity concentration of the p-type impurity toward the direction away from the end of the p + -SiC layer 5. A junction termination structure is formed by the JTE 13 and the spatial modulation structure 21.

図3(b)に示すように、空間変調構造21の例として、JTE13のp型不純物濃度と同じ不純物濃度を有する、層方向に向かって複数(図では3つ)に分割された、p型不純物領域21a、21b、21cが設けられている。より詳細には、JTE13の深さ方向のp型不純物濃度分布と、p型不純物領域21a、21b、21cの深さ方向のp型不純物濃度分布が同じである。この空間変調構造21において、領域間の距離Lsと領域の幅Lwとを、変化させることにより、空間変調構造における実効的な不純物濃度が、p−SiC層5の端部から層方向に離れるに従って低くなるような傾斜を形成することができる。従って、JTE13と空間変調構造21とによる接合終端構造の端部における電界集中を抑制することができる。 As shown in FIG. 3B, as an example of the spatial modulation structure 21, a p-type having the same impurity concentration as the p-type impurity concentration of JTE13 and divided into a plurality (three in the figure) in the layer direction. Impurity regions 21a, 21b, and 21c are provided. More specifically, the p-type impurity concentration distribution in the depth direction of JTE 13 and the p-type impurity concentration distribution in the depth direction of p-type impurity regions 21a, 21b, and 21c are the same. In this spatial modulation structure 21, the effective impurity concentration in the spatial modulation structure is separated in the layer direction from the end of the p + -SiC layer 5 by changing the distance Ls between the regions and the width Lw of the region. A slope can be formed that becomes lower as Therefore, the electric field concentration at the end of the junction termination structure formed by the JTE 13 and the spatial modulation structure 21 can be suppressed.

図3(a)において、図1(a)と同様に、メサエッジからp型不純物領域21cのエッジ(接合終端構造のエッジ)までのトータルの距離は600μmである。図3(a)では、JTE13+空間変調構造21の接合終端構造のトータルの距離が、図1(a)のJTE12の距離に相当する。   3A, as in FIG. 1A, the total distance from the mesa edge to the edge of the p-type impurity region 21c (the edge of the junction termination structure) is 600 μm. In FIG. 3A, the total distance of the junction termination structure of JTE13 + spatial modulation structure 21 corresponds to the distance of JTE12 in FIG.

図4は、図3に示す構造と、それを上側から見た図とを対応させて示した図である。図4に示すように、第1から第3までのp型不純物領域21a、21b、21cは、高耐圧SiC半導体素子のp−SiC層5の外周端部から放射状に離れていく位置に、全体として同心の矩形の形状である帯状領域(リング)として形成されている。従って、p−SiC層5から放射状に離れる同心の矩形(例えば正方形)の領域のいずれの位置においても、pn接合への高電圧印加時の電界集中を抑制することができる。 FIG. 4 is a view showing the structure shown in FIG. 3 and the view of the structure as viewed from above. As shown in FIG. 4, the first to third p-type impurity regions 21a, 21b, and 21c are located radially away from the outer peripheral edge of the p + -SiC layer 5 of the high voltage SiC semiconductor element. It is formed as a band-like region (ring) having a concentric rectangular shape as a whole. Therefore, electric field concentration at the time of applying a high voltage to the pn junction can be suppressed at any position in a concentric rectangular (for example, square) region radially away from the p + -SiC layer 5.

図5A、図5Bは、本実施の形態による空間変調構造を有する接合終端構造の例を示す図である。図5A(a)は、基本構造でありJTE13の端部から層方向に離れていく順番に、第1から第3までのp型不純物領域21a、21b、21cが形成されており、JTE13の外周端部と第1のp型不純物領域21aの対向側の内周端部との間隔Ls1が10μm、第1のp型不純物領域21aの幅Lw1が10μm、第1のp型不純物領域21aの外周端部と第2のp型不純物領域21bの対向側の内周端部との間の距離Ls2も10μm、第2のp型不純物領域21bの幅Lw2も10μm、第2のp型不純物領域21bの外周端部と第3のp型不純物領域21cの対向側の内周端部との間の距離Ls3も10μm、第3のp型不純物領域21cの幅Lw3も10μmである。この構造を、1ゾーンJTE+3R(リング)と称する。p型不純物領域21a〜21cまでの深さは、JTE構造の深さと同じとするが、これに限定されるものではない。   5A and 5B are diagrams showing examples of the junction termination structure having the spatial modulation structure according to the present embodiment. FIG. 5A (a) shows a basic structure in which first to third p-type impurity regions 21a, 21b, and 21c are formed in order from the end of the JTE 13 in the layer direction. The distance Ls1 between the end and the inner peripheral end on the opposite side of the first p-type impurity region 21a is 10 μm, the width Lw1 of the first p-type impurity region 21a is 10 μm, and the outer periphery of the first p-type impurity region 21a The distance Ls2 between the end and the inner peripheral end on the opposite side of the second p-type impurity region 21b is also 10 μm, the width Lw2 of the second p-type impurity region 21b is also 10 μm, and the second p-type impurity region 21b. The distance Ls3 between the outer peripheral end of the second p-type impurity region 21c and the inner peripheral end on the opposite side of the third p-type impurity region 21c is also 10 μm, and the width Lw3 of the third p-type impurity region 21c is also 10 μm. This structure is referred to as 1 zone JTE + 3R (ring). The depth from the p-type impurity regions 21a to 21c is the same as the depth of the JTE structure, but is not limited to this.

図5A(b)では、例えば、Ls1/Lw1−Ls2/Lw2−Ls3/Lw3が、5/10−10/10−15/10である。すなわち、JTE13の端部から離れる方向に、順にp型不純物領域間の間隔(Ls)が長くなっている。もちろん、間隔Lsは傾向として実効的にp型不純物領域の幅が広くなる方向に形成されていれば良く、上記の数値に限定されるものではない。逆に、p型不純物領域間の間隔(Ls)を固定して、p型不純物領域の幅(Lw)が外側に行くほど小さくなるように形成されていてもよい。この構造を、1ゾーンJTE+3SMR(空間変調リング)と称する。   In FIG. 5A (b), for example, Ls1 / Lw1-Ls2 / Lw2-Ls3 / Lw3 is 5 / 10-10 / 10-15 / 10. In other words, the interval (Ls) between the p-type impurity regions becomes longer in the direction away from the end of the JTE 13. Needless to say, the interval Ls is not limited to the above numerical value as long as it is formed in the direction in which the width of the p-type impurity region is effectively increased. Conversely, the interval (Ls) between the p-type impurity regions may be fixed, and the width (Lw) of the p-type impurity region may be reduced toward the outside. This structure is called 1 zone JTE + 3SMR (spatial modulation ring).

図5A(c)では、図5A(b)と空間変調リングの構造は同様であるが、図3(b)に示した2ゾーンJTE構造の外側のJTE13bに対して、空間変調構造21が設けられている。この構造を、2ゾーンJTE+3SMR(空間変調リング)と称する。   In FIG. 5A (c), the structure of the spatial modulation ring is the same as that of FIG. 5A (b), but the spatial modulation structure 21 is provided for the JTE 13b outside the two-zone JTE structure shown in FIG. 3B. It has been. This structure is called 2-zone JTE + 3SMR (spatial modulation ring).

図5A(d)では、図5A(c)の2ゾーンJTE+3SMR(空間変調リング)の第1のJTE13aに対して、同様の空間変調構造23が形成されている。この構造を、2ゾーンJTE+2×3SMR(空間変調リング)と称する。   5A (d), a similar spatial modulation structure 23 is formed for the first JTE 13a of the two-zone JTE + 3SMR (spatial modulation ring) of FIG. 5A (c). This structure is called 2-zone JTE + 2 × 3 SMR (spatial modulation ring).

基本的には、図5A(a)から図5A(d)に向けて、空間変調の効果が大きくなり、逆方向耐圧の不純物濃度依存性が小さくなる傾向になる。   Basically, from FIG. 5A (a) to FIG. 5A (d), the effect of spatial modulation increases, and the dependence of the reverse breakdown voltage on the impurity concentration tends to decrease.

図5B(e)に示す構造は、空間変調2ゾーンJTEの構造例であって、図5A(d)に示す構造のうち、外側のJTE13bの外側にSMR(空間変調リング)を設けない構造である。このように、内側のJTE13a外であって外側のJTE13b内には3つの空間変調リング23を設け、最外周にリングを設けないようにすることも可能である。   The structure shown in FIG. 5B (e) is an example of the structure of the spatial modulation 2-zone JTE. In the structure shown in FIG. 5A (d), no SMR (spatial modulation ring) is provided outside the outer JTE 13b. is there. In this way, it is possible to provide three spatial modulation rings 23 outside the inner JTE 13a and inside the outer JTE 13b, so that no ring is provided on the outermost periphery.

図5B(f)に示す構造は、空間変調2ゾーンJTEの構造例であって、図5A(d)に示す構造のうち、内側のJTE13a外であって外側のJTE13b内には4つの空間変調リング23を設け、外側のJTE13bの外側(最外周)にSMR(空間変調リング)を設けない構造である。   The structure shown in FIG. 5B (f) is an example of the structure of the spatial modulation 2-zone JTE. Among the structures shown in FIG. 5A (d), there are four spatial modulations outside the inner JTE 13a and inside the outer JTE 13b. A ring 23 is provided, and no SMR (spatial modulation ring) is provided on the outer side (outermost circumference) of the outer JTE 13b.

図5A(a)〜(d)までに示した構造では、最外周のリング状の部分の電位が浮いている(floating)ため、高速スイッチング時に電位が変動し、電界集中の緩和効果が十分でない可能性がある。これに比べて、図5B(e)、(f)に示した構造では、最外周のリング状の部分を設けないことで電位の浮いている部分をなくすことができ、電界集中の緩和効果を十分に得られるという利点がある。   In the structures shown in FIGS. 5A to 5D, the potential of the ring-shaped portion on the outermost periphery is floating (floating), so the potential fluctuates during high-speed switching, and the effect of reducing the electric field concentration is not sufficient. there is a possibility. Compared to this, in the structure shown in FIGS. 5B and 5F, by eliminating the outermost ring-shaped portion, it is possible to eliminate the floating portion of the potential, and to reduce the electric field concentration. There is an advantage that it can be obtained sufficiently.

上記の構造は例示であり、Ls、Lwの寸法、空間変調された島状(環状)のp型不純物領域の数(図では3ケ)などは任意である。
層方向に分割されたp型不純物領域21a、21b、21c、…の幅をLWj(jは自然数で接合終端領域の内側から番号を付す)、p型不純物領域21a、21b、21c、…の間隔をLSjとするとき、LWj+1/(LWj+1 + LSj+1) = A×LWj/(LWj + LSj) (ここでA は0.1〜0.9の範囲の実数であり、0.5〜0.8が望ましい)なる関係が成り立つように平均的な不純物濃度が空間変調されているのが好ましい。
The above structure is an example, and the dimensions of Ls and Lw, the number of spatially modulated island-shaped (annular) p-type impurity regions (three in the figure), and the like are arbitrary.
The widths of the p-type impurity regions 21a, 21b, 21c,... Divided in the layer direction are set to L Wj (j is a natural number and numbered from the inside of the junction termination region), and the p-type impurity regions 21a, 21b, 21c ,. When the interval is L S j , L Wj + 1 / (L Wj + 1 + L Sj + 1 ) = A × L Wj / (L Wj + L Sj ) (where A is 0.1 to 0.9 It is preferable that the average impurity concentration is spatially modulated so that a relationship of a real number in the range, preferably 0.5 to 0.8 is satisfied.

図6は、1ゾーンJTE、1ゾーンJTE+1R(リング)、1ゾーンJTE+3R(リング: Ls/Lw=10/10μm)、1ゾーンJTE+5R(リング: Ls/Lw=10/10μm)、2ゾーンJTE(3:2)、1ゾーンJTE+5SMR(空間変調リング: Ls/Lw=6/14−8/12−10/10−12/8−14/6)の場合の、逆方向耐圧のp型不純物のドーズ依存性を示す図である。この図から、後者の構造になるに従って、逆方向耐圧のp型不純物のドーズ依存性が少ない領域が広がることがわかる。特に、1ゾーンJTEであるにもかかわらず、1ゾーンJTE+5SMR(空間変調リング)の場合には、2ゾーンJTEの場合よりも、逆方向耐圧のp型不純物のドーズ依存性が少ない領域が広くなっており、1種類の不純物濃度で接合終端を形成する場合でも、2種類の不純物濃度で接合終端を形成する場合よりも、性能が向上していることが注目される。また、1ゾーンJTE+5R(リング)に比べて、1ゾーンJTE+5SMR(空間変調リング)の場合には逆方向耐圧のp型不純物のドーズ依存性が少ない領域が増加している。すなわち、簡単な構造(少ない工程)でも、空間変調構造を設けることで、逆方向耐圧のp型不純物のドーズ依存性が少ない領域を広げることができることがわかる。   FIG. 6 shows 1 zone JTE, 1 zone JTE + 1R (ring), 1 zone JTE + 3R (ring: Ls / Lw = 10/10 μm), 1 zone JTE + 5R (ring: Ls / Lw = 10/10 μm), 2 zone JTE (3 : 2) Dosing dependence of reverse breakdown voltage on p-type impurities in the case of 1 zone JTE + 5SMR (spatial modulation ring: Ls / Lw = 6 / 14-8 / 12-10 / 10-12 / 12 / 8-14 / 6) It is a figure which shows sex. From this figure, it can be seen that as the latter structure is formed, the region where the dose dependency of the p-type impurity of the reverse breakdown voltage is small increases. In particular, in the case of 1 zone JTE + 5 SMR (spatial modulation ring) in spite of being 1 zone JTE, the region where the dose dependence of the p-type impurity of the reverse breakdown voltage is smaller than that in the case of 2 zone JTE becomes wide. It is noted that even when the junction termination is formed with one kind of impurity concentration, the performance is improved as compared with the case where the junction termination is formed with two kinds of impurity concentrations. Compared with 1 zone JTE + 5R (ring), in the case of 1 zone JTE + 5 SMR (spatial modulation ring), the region where the dose dependency of the p-type impurity of the reverse breakdown voltage is small is increased. That is, it can be seen that even with a simple structure (small number of steps), by providing the spatial modulation structure, it is possible to expand a region where the dose dependency of the p-type impurity of the reverse breakdown voltage is small.

以下に、本実施の形態による高耐圧SiC半導体素子の製造工程について説明する。図7から図10までは、図5A(c)の2ゾーンJTE+3SMR(空間変調リング)からなる空間変調構造の場合を例にしてその製造工程の一例を示す図である。   The manufacturing process of the high voltage SiC semiconductor element according to the present embodiment will be described below. FIG. 7 to FIG. 10 are diagrams showing an example of the manufacturing process, taking as an example the case of a spatial modulation structure composed of two-zone JTE + 3 SMR (spatial modulation ring) in FIG. 5A (c).

まず、傾斜メサ構造の作成工程を説明する。図7(a)に示すように、まず、4H−SiCのn型基板1上に、n−SiC層3をエピタキシャル成長する。次いで、n−SiC層3に、エピタキシャル成長法によりp高濃度層5を形成する。p高濃度層5を、Alのイオン注入法により形成しても良い。次いで、図7(b)に示すように、n−SiC層3上に厚さ2μmのSiOからなる膜P1を例えばプラズマエンハンスド(PE)CVD法により堆積し、フォトレジストマスクM1を、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする。図7(c)に示すように、例えば、BHF(HFのバッファ液)を用いた等方性ウェットエッチング法により、レジストM1をマスクとして、SiOからなる膜P1をエッチングすることにより、側面がテーパ状になった傾斜SiOマスクM2を形成する。次いで、図7(d)に示すように、傾斜SiOマスクM2を利用して、CF、CHF、Clなどの反応性ガスを用いたリアクティブイオンエッチング(RIE)法により、p高濃度層(コンタクト層)5及びn−SiC層3をその厚さ方向に一部除去し、傾斜SiOマスクM2をSiCに転写して傾斜型のメサ構造を形成する(5a)。残った傾斜SiOマスクM2を、HF(フッ化水素酸)により除去する。 First, the process of creating the inclined mesa structure will be described. As shown in FIG. 7A, first, an n -SiC layer 3 is epitaxially grown on a 4H—SiC n-type substrate 1. Next, the p + high concentration layer 5 is formed on the n -SiC layer 3 by an epitaxial growth method. The p + high concentration layer 5 may be formed by Al ion implantation. Next, as shown in FIG. 7B, a film P1 made of SiO 2 having a thickness of 2 μm is deposited on the n -SiC layer 3 by, for example, a plasma enhanced (PE) CVD method. Patterning is performed using a lithography technique. As shown in FIG. 7C, for example, by etching the film P1 made of SiO 2 using the resist M1 as a mask by an isotropic wet etching method using BHF (HF buffer solution), the side surfaces are formed. An inclined SiO 2 mask M2 having a tapered shape is formed. Next, as shown in FIG. 7 (d), by using a reactive SiO 2 mask M2 and reactive ion etching (RIE) method using a reactive gas such as CF 4 , CHF 3 , Cl 2 , p + The high-concentration layer (contact layer) 5 and the n -SiC layer 3 are partially removed in the thickness direction, and the inclined SiO 2 mask M2 is transferred to SiC to form an inclined mesa structure (5a). The remaining inclined SiO 2 mask M2 is removed by HF (hydrofluoric acid).

次いで、JTE領域の作成工程について図8を参照しながら説明する。図8(a)に示すように、図7(d)の構造上にPECVD法により、SiOからなる膜P2を2μm堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いてレジストマスクM3を形成する。このレジストマスクM3は、メサ構造からある距離だけ離れた領域までを開口するマスクである。図8(b)に示すように、BHF(HFのバッファ液)を用いた等方性ウェットエッチング法により、SiOからなる膜P2を加工し、レジストマスクM3の形状を引き継いだSiOからなるJTE領域を形成するために開口されたマスクM4を形成する。次いで、図8(c)に示すように、例えばAlのイオン注入により、領域13にp型不純物を添加してJTE領域を形成する。不純物添加工程は、イオン注入法に限定されるものではなく、不純物拡散法など周知の方法で行うことができる(以下同様である)。 Next, the JTE region creation process will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8A, a film P2 made of SiO 2 is deposited by 2 μm on the structure of FIG. 7D by PECVD, and a resist mask M3 is formed using a photolithography technique. The resist mask M3 is a mask that opens up to a region separated from the mesa structure by a certain distance. As shown in FIG. 8 (b), by isotropic wet etching using a BHF (buffered solution of HF), processing the film P2 made of SiO 2, made of SiO 2 that took over the shape of the resist mask M3 A mask M4 opened to form a JTE region is formed. Next, as shown in FIG. 8C, a p-type impurity is added to the region 13 by, for example, Al + ion implantation to form a JTE region. The impurity addition step is not limited to the ion implantation method, and can be performed by a known method such as an impurity diffusion method (the same applies hereinafter).

次いで、フォトレジストによりパターニングを行い、JTE領域13の外側に形成されたSiOからなるマスクM4を加工して、3つのp型電導領域を形成するための開口を形成するとともに、JTE領域13及びそれよりも内側の領域を保護するレジストマスクM5を形成する。図8(e)に示すように、レジストマスクM5を利用して、p型電導領域からなる空間変調構造を形成するためのSiOからなる複数のp型電導領域を形成するための開口が形成されたマスクM6を形成する。この開口は、JTE領域13の外側領域も開口することで、JTE領域13から第1のJTE領域13aと第2のJTE領域13bとを形成するための開口を兼ねる。図8(f)に示すように、例えばAlのイオン注入により、マスクM6の開口領域にp型不純物を添加ことで、p型電導領域と第2のJTE領域13bとにp型不純物を添加することができる。ここで、不純物の添加量(ドープ量)は、第1のJTE領域13aと第2のJTE領域13bとで、例えば、2:1となるように添加している。図8(g)において、HFにより、マスクM6を除去する。 Next, patterning is performed with a photoresist, and the mask M4 made of SiO 2 formed outside the JTE region 13 is processed to form openings for forming three p-type conductive regions. A resist mask M5 that protects the inner region is formed. As shown in FIG. 8E, the resist mask M5 is used to form openings for forming a plurality of p-type conductive regions made of SiO 2 for forming a spatial modulation structure made of a p-type conductive region. A mask M6 is formed. This opening also serves as an opening for forming the first JTE region 13 a and the second JTE region 13 b from the JTE region 13 by opening the outer region of the JTE region 13. As shown in FIG. 8F, the p-type impurity is added to the p-type conductive region and the second JTE region 13b by adding a p-type impurity to the opening region of the mask M6, for example, by ion implantation of Al +. can do. Here, the addition amount (doping amount) of the impurity is added so as to be, for example, 2: 1 in the first JTE region 13a and the second JTE region 13b. In FIG. 8G, the mask M6 is removed by HF.

図9は、図8に続く工程を示す図である。まず、図9(a)に示すように、フォトレジストM7を全面に塗布する。次いで、図9(b)に示すように、RTA(Rapid Thermal Annealing)法を用いて、Ar雰囲気中で、750℃、15分間の熱処理を行うことで、カーボンキャップM71を作製する。図9(c)に示すように、誘導加熱方式により、1700℃、20分の活性化アニールにより、p型不純物の活性化を行う。次いで、1150℃、3時間の犠牲酸化によりカーボンキャップM71を除去する。次いで、例えば、1300℃、5時間のNO酸窒化により厚さ34nmのパッシベーション膜を形成する。 FIG. 9 is a diagram showing a step following FIG. First, as shown in FIG. 9A, a photoresist M7 is applied to the entire surface. Next, as shown in FIG. 9B, a carbon cap M71 is manufactured by performing heat treatment at 750 ° C. for 15 minutes in an Ar atmosphere using RTA (Rapid Thermal Annealing). As shown in FIG. 9C, the p-type impurity is activated by activation annealing at 1700 ° C. for 20 minutes by an induction heating method. Next, the carbon cap M71 is removed by sacrificial oxidation at 1150 ° C. for 3 hours. Next, for example, a passivation film having a thickness of 34 nm is formed by N 2 O oxynitridation at 1300 ° C. for 5 hours.

次いで、図10(a)に示すように、フォトレジストを塗布し、メサ領域5aを開口するパターニングを行うことでレジストマスクM8を形成する。次いで、レジストマスクM8を用いて、開口領域のパッシベーション膜(SiO)を、BHFにより除去する。図10(b)に示すように、Ti/Al/Ni(20nm/100nm/50nm)を蒸着し、レジストマスクM8を利用してリフトオフ法により、メサ領域5a上に接触するアノード電極7aを形成する。次いで、図10(c)に示すように、基板1の裏面側にNiを100nm蒸着した後、RTA法により、Ar雰囲気中で、1000℃、2分間の熱処理を行うことにより、基板1の裏面と接触するカソード電極11を形成することができる。図10(d)に示すように、表面側の全面にAl層25を蒸着し、次いで、フォトレジストを全面に塗布し、Ti/Al/Ni電極7a上のAl膜25を残すためのパターニングを行うことでフォトレジストマスクM9を形成する。次いで、図10(e)に示すように、フォトレジストマスクM9を利用して、リン酸エッチャント(HPO:CHCOOH:HNO=12.5:1:0.15)を用い、60℃でAl層25をエッチングした後、フォトレジストマスクM9を除去することで、Ti/Al/Ni電極7上にAl電極25aが積層されたアノード電極7が形成される。 Next, as shown in FIG. 10A, a photoresist is applied, and a resist mask M8 is formed by performing patterning for opening the mesa region 5a. Next, the passivation film (SiO 2 ) in the opening region is removed by BHF using the resist mask M8. As shown in FIG. 10B, Ti / Al / Ni (20 nm / 100 nm / 50 nm) is vapor-deposited, and the anode electrode 7a in contact with the mesa region 5a is formed by lift-off using the resist mask M8. . Next, as shown in FIG. 10 (c), after depositing Ni to the back side of the substrate 1 to a thickness of 100 nm, the back side of the substrate 1 is subjected to heat treatment at 1000 ° C. for 2 minutes in an Ar atmosphere by the RTA method. Can be formed. As shown in FIG. 10 (d), an Al layer 25 is deposited on the entire surface side, and then a photoresist is applied on the entire surface, followed by patterning to leave the Al film 25 on the Ti / Al / Ni electrode 7a. As a result, a photoresist mask M9 is formed. Next, as shown in FIG. 10E, using a photoresist mask M9, a phosphoric acid etchant (H 3 PO 4 : CH 3 COOH: HNO 3 = 12.5: 1: 0.15) is used. After the Al layer 25 is etched at 60 ° C., the photoresist mask M9 is removed, whereby the anode electrode 7 in which the Al electrode 25a is laminated on the Ti / Al / Ni electrode 7 is formed.

図10(f)に示すように、絶縁性を高めるために基板表面にポリイミド膜M10を塗布し、フォトリソグラフィーによりアノード電極7上に開口を設ける。次いで、RTA法により、N雰囲気中で、140℃までの昇温と、140℃、30分の保温と、350℃までの昇温と、350℃、60分の保温と冷却工程とを含む熱処理を行う。これにより、ポリイミド膜M10を硬化させ、SiCからなるPiNダイオードが完成する。 As shown in FIG. 10 (f), a polyimide film M10 is applied to the substrate surface in order to improve insulation, and an opening is provided on the anode electrode 7 by photolithography. Next, by the RTA method, a temperature increase to 140 ° C., a heat retention to 140 ° C. for 30 minutes, a temperature increase to 350 ° C., a heat retention to 350 ° C. for 60 minutes and a cooling step are included in an N 2 atmosphere Heat treatment is performed. Thereby, the polyimide film M10 is cured, and a PiN diode made of SiC is completed.

以上の工程により作製された構造が、図5A(c)の2ゾーンJTE+3SMR(空間変調構造))のp型電導領域からなる空間変調構造を備えたSiC−PiNダイオードである。   The structure produced by the above process is a SiC-PiN diode having a spatial modulation structure composed of the p-type conductive region of the 2-zone JTE + 3SMR (spatial modulation structure) of FIG. 5A (c).

尚、図5A(b)の空間変調構造を有するSiC−PiNダイオードを製造する場合には、図8(a)から、JTE領域と空間変調領域とを開口して1回の不純物添加工程を行えば良い。   When manufacturing the SiC-PiN diode having the spatial modulation structure shown in FIG. 5A (b), the impurity addition process is performed once by opening the JTE region and the spatial modulation region from FIG. 8 (a). Just do it.

また、図5A(d)の空間変調構造を有するSiC−PiNダイオードを製造する場合には、図8(b)の工程で、第1のJTE領域13aを形成する際に、マスクM4に空間変調領域形成用の開口を形成していくなどの工程を実施すれば良い。   Further, when manufacturing the SiC-PiN diode having the spatial modulation structure of FIG. 5A (d), the spatial modulation is applied to the mask M4 when the first JTE region 13a is formed in the process of FIG. 8B. A process such as forming an opening for forming a region may be performed.

図11(カラー図面)は、1ゾーンJTE構造(図11(a)、図1(a)の構造))と2ゾーンJTE+3SMR(図11(b): 図5A(c)の空間変調)構造とにおける電界分布例を示す図である。図12は、図11(a)と図11(b)における表面電界の位置:メサ端からJTEエッジまでの長さが600μm)依存性を示す図である。上記のように、例えば、n−SiC層(電圧ブロック層)3のドーピング量は1.0×1014cm−2、厚さは、120μmである。また、電極間に印加した逆方向電圧は、11kVであり、JTE13のドーズ量は、8.5×1012cm−2である。図11(a)の1ゾーンJTE構造に対して、図11(b)では、図5A(c)に示すように、1ゾーンJTE+3SMR(空間変調リング)による空間変調構造の場合の電界分布を示している。 FIG. 11 (color drawing) shows a 1-zone JTE structure (structure of FIG. 11 (a) and FIG. 1 (a)) and a 2-zone JTE + 3SMR (FIG. 11 (b): spatial modulation of FIG. 5A (c)) structure. It is a figure which shows the example of an electric field distribution in. FIG. 12 is a diagram showing the dependency of the position of the surface electric field in FIG. 11A and FIG. 11B (the length from the mesa edge to the JTE edge is 600 μm). As described above, for example, the n -SiC layer (voltage block layer) 3 has a doping amount of 1.0 × 10 14 cm −2 and a thickness of 120 μm. Further, the reverse voltage applied between the electrodes is 11 kV, and the dose amount of JTE13 is 8.5 × 10 12 cm −2 . In contrast to the one-zone JTE structure of FIG. 11 (a), FIG. 11 (b) shows the electric field distribution in the case of a spatial modulation structure with one-zone JTE + 3SMR (spatial modulation ring) as shown in FIG. 5A (c). ing.

また、図12(a)、図12(b)は、図11(a)、図11(b)に対応する図であり、表面電界の距離依存性を示す図である。図11(a)及び図12(a)に示すように、1ゾーンJTE構造においては、JTE13のエッジ近傍において、高い表面電界が観測され、電界集中が生じていることがわかる。これに対して、図11(b)及び図12(b)に示すように、1ゾーンJTE構造+3SMR(空間変調リング)による空間変調構造においては、JTE13のエッジに近傍における(距離600μm)表面電界集中が抑制され、距離500〜600μmの範囲における表面電界が複数のピークに分散されていることがわかる。最大の表面電界も、2.4MV/cmから1.8MV/cmに低減している。このように、空間変調構造を設けることで、JTEエッジにおける表面電界の集中が抑制されていることが明らかになっている。   FIGS. 12A and 12B are diagrams corresponding to FIGS. 11A and 11B and showing the distance dependence of the surface electric field. As shown in FIGS. 11A and 12A, in the one-zone JTE structure, a high surface electric field is observed in the vicinity of the edge of JTE 13, and it can be seen that electric field concentration occurs. In contrast, as shown in FIGS. 11 (b) and 12 (b), in the spatial modulation structure using 1 zone JTE structure + 3SMR (spatial modulation ring), the surface electric field in the vicinity of the edge of JTE 13 (distance 600 μm). It can be seen that the concentration is suppressed and the surface electric field in the range of distance of 500 to 600 μm is dispersed in a plurality of peaks. The maximum surface electric field is also reduced from 2.4 MV / cm to 1.8 MV / cm. Thus, it is clear that the concentration of the surface electric field at the JTE edge is suppressed by providing the spatial modulation structure.

以上に説明したように、本実施の形態による半導体技術によれば、JTE領域と空間変調構造とを備えた接合終端を簡単な工程で形成できる。さらに、高耐圧SiC半導体素子の高耐圧化を図るとともに、JTE領域形成時の不純物添加工程における不純物濃度(活性化率を含む)や絶縁膜/SiC界面の固定電荷のバラツキに対する逆方向耐圧の変動を大幅に抑制することができる。従って、製造工程上のマージンを大幅に向上させることができるという大きな利点がある。   As described above, according to the semiconductor technology according to the present embodiment, the junction termination including the JTE region and the spatial modulation structure can be formed by a simple process. Further, the high breakdown voltage SiC semiconductor device is designed to have a high breakdown voltage, and the reverse breakdown voltage variation with respect to the impurity concentration (including the activation rate) and the fixed charge variation at the insulating film / SiC interface in the impurity addition process when forming the JTE region Can be greatly suppressed. Therefore, there is a great advantage that the margin in the manufacturing process can be greatly improved.

次に、本発明の第2の実施の形態による高耐圧SiC半導体素子について説明する。図13は、n回のイオン注入により、(2−1)の空間変調構造を形成する工程を示す図である。n=1の場合の例は、図5A(b)のような構造になる。 Next, a high voltage SiC semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a diagram illustrating a process of forming a (2 n −1) spatial modulation structure by n ion implantations. An example in the case of n = 1 has a structure as shown in FIG. 5A (b).

ここでは、n=2の場合における例を示す(3ゾーンJTE+3×5SMR(空間変調構造)の例である)。図13(a)に示す構造では、図7(d)のようなメサ構造(図示せず)が図13(a)の左側に設けられており、そこから、図13(a)の右側に向けて接合終端構造を形成する。この際、まず、第3のJTEと第3の空間変調構造とが形成される予定領域とを覆うとともに、第2の空間変調領域におけるp型導電領域の形成予定領域を覆うマスクM11を形成する。このマスクM11を利用してp型不純物の添加を行う。次いで、図13(b)に示すように、第1から第3までの空間変調構造を形成するための、第1から第3までのp型導電領域の形成予定領域を開口するマスクM12を形成する。尚、第1〜第3までの空間変調構造のp型不純物領域間の間隔とp型不純物領域の幅とは、例えば、6/14−8/12−10/10−12/8−14/6μmである。次いで、2回目の不純物添加を行う。尚、第1回目の不純物添加量(ドーズ量)と第2回目の第2回目の不純物添加量(ドーズ量)との比は、2:1である。   Here, an example in the case of n = 2 is shown (an example of 3 zone JTE + 3 × 5 SMR (spatial modulation structure)). In the structure shown in FIG. 13 (a), a mesa structure (not shown) as shown in FIG. 7 (d) is provided on the left side of FIG. 13 (a), and from there, on the right side of FIG. 13 (a). A junction termination structure is formed. At this time, first, a mask M11 is formed which covers the region where the third JTE and the third spatial modulation structure are to be formed, and which covers the region where the p-type conductive region is to be formed in the second spatial modulation region. . Using this mask M11, p-type impurities are added. Next, as shown in FIG. 13B, a mask M12 is formed to open the first to third p-type conductive region formation regions for forming the first to third spatial modulation structures. To do. The interval between the p-type impurity regions of the first to third spatial modulation structures and the width of the p-type impurity region are, for example, 6 / 14-8 / 12-10 / 10-12 / 12 / 8-14 / 6 μm. Next, a second impurity addition is performed. The ratio of the first impurity addition amount (dose amount) to the second impurity addition amount (dose amount) for the second time is 2: 1.

図13(c)は、このようにして形成された第1から第3までのJTE構造と空間変調構造における実効的なドーズ量の位置依存性を示す図である。図13(c)に示すように、トータルとしての接合終端構造におけるドーズ量は、メサ構造側から順番に、3(JTE1):2(JTE2):1(JTE3)であり、JTE1とJTE2との接合部のJTE1内に形成される第1の空間変調構造、JTE2とJTE3との接合部のJTE2内に形成される第2の空間変調構造、JTE3内に形成される第3の空間変調構造において、ドーズ量を傾斜させて次のJTEに繋がるように設計する。これにより、接合終端における大きなドーズ量の変化による表面及びバルクの電界集中を抑制することができる。また、不純物添加量(活性化率を考慮したもの)の空間的なバラツキが存在しても、トータルとしての接合終端構造としては、ドーズ量が傾斜する形状への影響は少ないため、不純物添加量の逆方向耐圧依存性を小さくすることができ、不純物添加プロセスに余裕を持たせることができ、逆方向耐圧の変動を抑制することができる。   FIG. 13 (c) is a diagram showing the position dependency of the effective dose amount in the first to third JTE structures and the spatial modulation structure formed as described above. As shown in FIG. 13C, the dose amount in the junction termination structure as a total is 3 (JTE1): 2 (JTE2): 1 (JTE3) in order from the mesa structure side, and the relationship between JTE1 and JTE2 In the first spatial modulation structure formed in JTE1 of the junction, the second spatial modulation structure formed in JTE2 of the junction between JTE2 and JTE3, and the third spatial modulation structure formed in JTE3 , The dose is designed to be tilted and connected to the next JTE. This can suppress surface and bulk electric field concentration due to a large change in dose at the junction termination. Even if there is a spatial variation in the impurity addition amount (in consideration of the activation rate), the total junction termination structure has little influence on the shape with a tilted dose, so the impurity addition amount Can be reduced, the impurity addition process can be given a margin, and fluctuations in the reverse breakdown voltage can be suppressed.

図14は、図13の構造を含む4H−SiCPINダイオードであって、トータルのJTE幅が600μmの場合の、逆方向耐圧の最も内側のJTEへのドーズ量依存性を示す図である。図14では、1ゾーンJTEと、1ゾーンJTE+1Rと、1ゾーンJTE+3Rと、1ゾーンJTE+5Rと、2ゾーンJTE(ドーズ量=3:2)と、1ゾーンJTE+5SMR(空間変調構造)と、3ゾーンJTE+3×5SMR(空間変調: この構造が図13(b)に示す構造である。)と、における、依存性を示している。5SMRは、上記と同じように、6/14−8/12−10/10−12/8−14/6μmである。この場合の、実効ドーズ比は、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3である。空間変調構造を有していない場合の、p型導電領域間のスペースとp型導電領域の幅との関係は、10/10μmである。   FIG. 14 is a diagram showing the dose dependency of the reverse breakdown voltage on the innermost JTE when the total JTE width is 600 μm in the 4H-SiCPIN diode including the structure of FIG. In FIG. 14, 1 zone JTE, 1 zone JTE + 1R, 1 zone JTE + 3R, 1 zone JTE + 5R, 2 zone JTE (dose amount = 3: 2), 1 zone JTE + 5 SMR (spatial modulation structure), 3 zone JTE + 3 The dependence on x5 SMR (spatial modulation: this structure is the structure shown in FIG. 13B) is shown. The 5SMR is 6 / 14-8 / 12/10 / 10-12 / 12 / 8-14 / 6 μm as described above. In this case, the effective dose ratio is 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, and 0.3. When the spatial modulation structure is not provided, the relationship between the space between the p-type conductive regions and the width of the p-type conductive region is 10/10 μm.

図14に示すように、本実施の形態による3ゾーンJTE+3×5SMR(空間変調構造)の場合は、2回の不純物導入工程が必要な点では、2ゾーンJTEの場合と同じであるが、大幅に広いドーズ範囲で逆方向耐圧の変動が抑制されており、この構造が極めて有効であることがわかる。   As shown in FIG. 14, in the case of 3 zone JTE + 3 × 5 SMR (spatial modulation structure) according to the present embodiment, it is the same as the case of 2 zone JTE in that two impurity introduction steps are required. In addition, fluctuations in the reverse breakdown voltage are suppressed over a wide dose range, which shows that this structure is extremely effective.

このように、トータルのJTEの幅が600μmと同じ場合でも、3ゾーンJTE+5SMR(空間変調構造)により、逆方向耐圧のドーズ量による変動が抑制されることがわかる。   Thus, even when the total width of the JTE is the same as 600 μm, it can be seen that the three-zone JTE + 5 SMR (spatial modulation structure) suppresses the variation in the reverse breakdown voltage due to the dose.

次に、本発明の第3の実施の形態による高耐圧SiC半導体素子について説明する。図15は、本実施の形態による高耐圧SiC半導体素子の一例を示す構造断面図である。
図15に示すように、本実施の形態によるSiC半導体素子は、第1のp型電導領域21aと、第2のp型電導領域21bと、第3のp型電導領域21cと、において、p型電導領域の不純物濃度を一定として、かつ、間隔Lsも一定とするとともに、第1のp型電導領域21aと、第2のp型電導領域21bと、第3のp型電導領域21cのリング幅LwをJTE13から遠ざかる層方向に小さくなるようにしている。このような構造においても、JTE13から遠ざかる層方向にp型不純物濃度が小さくなる傾向を持つため、実効的にドーズ量の傾斜を形成することができる。
図15によれば、1回のイオン注入で傾斜を形成できるため、工程が簡単になるという利点がある。
Next, a high voltage SiC semiconductor element according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a structural cross-sectional view showing an example of a high voltage SiC semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 15, the SiC semiconductor device according to the present embodiment includes a p-type conductive region 21a, a second p-type conductive region 21b, and a third p-type conductive region 21c. The impurity concentration in the type conduction region is constant and the interval Ls is also constant, and the ring of the first p-type conduction region 21a, the second p-type conduction region 21b, and the third p-type conduction region 21c The width Lw is made smaller in the layer direction away from the JTE 13. Even in such a structure, since the p-type impurity concentration tends to decrease in the layer direction away from the JTE 13, a dose gradient can be effectively formed.
According to FIG. 15, since the slope can be formed by one ion implantation, there is an advantage that the process is simplified.

次に、本発明の各実施の形態による高耐圧SiC半導体素子の応用例について説明する。上記各実施の形態では、pn接合型のダイオードを例にして説明したが、その他の半導体素子にも応用することが可能である。   Next, application examples of the high voltage SiC semiconductor element according to each embodiment of the present invention will be described. In each of the above embodiments, a pn junction type diode has been described as an example. However, the present invention can be applied to other semiconductor elements.

まず、第1応用例であるSiCパワーMOSFETからなる半導体素子について説明する。SiCパワーMOSFETからなる半導体素子は、10μm×10μm程度の領域に形成されたSiC−MOSFETを多数(例えば1000×1000素子など)接続している。このようなSiCパワー−MOSFETでは、最外縁のMOSFETに、上記のような空間変調構造を設けることで、逆方向耐圧のドーズ量依存性を抑制でき、素子の破壊等が生じにくくなる。このようなSiC−MOSFETの構造断面図を図16に示す。図16に示すSiC−MOSFETは、4H−SiCのn型基板1と、その一面側(図では表面側)に形成されたn−SiC層(厚さ30μm、n型不純物濃度2.0×1015cm−3)3と、その上面側に形成されたソース及びゲート構造と、n型基板1の他の一面(図では下面)に形成されたドレイン電極11と、を有している。ソース及びゲート構造は、nSiC層3の表面近傍の領域に形成されたp型電導領域61と、n−SiC層3の表面上に形成されたSiOからなる絶縁膜75と、絶縁膜75上に形成されたゲート電極77と、p型電導領域61内に形成された高濃度のnの接合構造63・65に接して形成されたソース電極73と、を有している。 First, the semiconductor element which consists of SiC power MOSFET which is a 1st application example is demonstrated. A semiconductor element made of a SiC power MOSFET is connected to a large number (for example, 1000 × 1000 elements) of SiC-MOSFETs formed in a region of about 10 μm × 10 μm. In such a SiC power-MOSFET, by providing the outermost MOSFET with the spatial modulation structure as described above, the dose dependency of the reverse breakdown voltage can be suppressed, and element breakdown or the like hardly occurs. A structural cross-sectional view of such a SiC-MOSFET is shown in FIG. The SiC-MOSFET shown in FIG. 16 includes a 4H—SiC n-type substrate 1 and an n -SiC layer (thickness 30 μm, n-type impurity concentration 2.0 ×) formed on one side (the front side in the figure). 10 15 cm −3 ) 3, a source and gate structure formed on the upper surface side thereof, and a drain electrode 11 formed on the other surface (lower surface in the drawing) of the n-type substrate 1. Source and gate structure, n - and p-type conductivity region 61 formed in a region near the surface of the SiC layer 3, n - and -SiC layer insulating film 75 made of SiO 2 formed on the surface of 3, insulation A gate electrode 77 formed on the film 75, and a source electrode 73 formed in contact with the high-concentration n + p + junction structures 63 and 65 formed in the p-type conductive region 61. Yes.

ゲート電極77は、ソース−ドレイン間の電流を制御する電流制御構造として機能する。ここで、p型電導領域61の外側に、接続終端構造として、p型導電層からなるJTE67と、その外側に形成される、例えば図5A、図5Bのいずれかに示すSMR(空間変調構造)71(この場合には、71a、71b、71cの3つのp型導電層であって、例えば、Ls1/Lw1−Ls2/Lw2−Ls3/Lw3が、5/10−10/10−15/10の空間変調構造)が形成されている。外縁のトランジスタの外側にこのようなSMR(空間変調構造)を設けることで、外縁のトランジスタの逆方向耐圧のドーズ量依存性を抑制することで、不純物濃度のバラツキに依存しにくい、安定した逆方向耐圧を有するパワートランジスタの特性を得ることができる。   The gate electrode 77 functions as a current control structure that controls the current between the source and the drain. Here, a JTE 67 made of a p-type conductive layer is formed outside the p-type conductive region 61 as a connection termination structure, and an SMR (spatial modulation structure) as shown in FIG. 5A or FIG. 71 (in this case, three p-type conductive layers 71a, 71b, 71c, for example, Ls1 / Lw1-Ls2 / Lw2-Ls3 / Lw3 is 5 / 10-10 / 10-15 / 10 Spatial modulation structure) is formed. By providing such an SMR (Spatial Modulation Structure) outside the outer edge transistor, the dose dependence of the reverse breakdown voltage of the outer edge transistor is suppressed, so that the stable reverse is less likely to depend on variations in impurity concentration. The characteristics of a power transistor having a directional breakdown voltage can be obtained.

次に、第2応用例について説明する。図17は、SiCからなるショットキーダイオードの構成の一例を示す断面図である。図17に示すように、本応用例によるショットキーダイオードは、大面積の構造であり、4H−SiCのn型基板1と、その一面側(図では表面側)に形成されたn−SiC層(例えば、厚さ30μm、n型不純物濃度2.0×1015cm−3)3と、その上面側に形成されたショットキー電極(Ti/Ni)81と、n型基板1の他の一面(図では下面)に形成されたオーム性の電極11と、を有している。ショットキー電極(Ti/Ni)81の両側のnSiC層3には、p型導電領域が形成されてJTE領域83を形成している。ここで、JTE領域83の外側に、例えば図5A、図5Bのいずれかに示すSMR(空間変調構造)85(この場合には、85a、85b、85cの3つのp型導電層であって、例えば、Ls1/Lw1−Ls2/Lw2−Ls3/Lw3が、5/10−10/10−15/10μmである)が設けられている。このようなSMR(空間変調構造)を設けることで、ショットキーダイオードの逆方向耐圧のドーズ量依存性を抑制し、安定したダイオードの特性を得ることができる。その他、アバランシェ・フォトダイオードなどに応用することができる。もちろん、SiC JFET、IGBT、バイポーラトランジスタなどにこのようなJTE+空間変調構造を設けても良い。 Next, a second application example will be described. FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a Schottky diode made of SiC. As shown in FIG. 17, the Schottky diode according to this application example has a large-area structure, and is a 4H—SiC n-type substrate 1 and n −SiC formed on one side (the front side in the drawing). Layer (for example, thickness 30 μm, n-type impurity concentration 2.0 × 10 15 cm −3 ) 3, Schottky electrode (Ti / Ni) 81 formed on the upper surface side, and other n-type substrate 1 And an ohmic electrode 11 formed on one surface (the lower surface in the figure). A p-type conductive region is formed in the n SiC layer 3 on both sides of the Schottky electrode (Ti / Ni) 81 to form a JTE region 83. Here, on the outside of the JTE region 83, for example, there are three p-type conductive layers SMR (spatial modulation structure) 85 (in this case, 85a, 85b, 85c shown in either FIG. 5A or FIG. 5B, For example, Ls1 / Lw1-Ls2 / Lw2-Ls3 / Lw3 is 5 / 10-10 / 10-15 / 10 μm). By providing such an SMR (spatial modulation structure), the dose dependency of the reverse breakdown voltage of the Schottky diode can be suppressed, and stable diode characteristics can be obtained. In addition, it can be applied to avalanche photodiodes and the like. Of course, such a JTE + spatial modulation structure may be provided in a SiC JFET, IGBT, bipolar transistor, or the like.

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、メサ型の構造を例にしたが、プレーナ構造の半導体素子であっても良い。   In the above-described embodiment, the configuration and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited to these, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention. For example, in the above embodiment, a mesa structure is taken as an example, but a planar semiconductor element may be used.

また、上記の実施の形態では、SiCの半導体素子に適用した例を示したが、空間変調構造を設けることによる表面の電界集中の抑制に関しては、その他の高耐圧半導体素子等に応用することも可能である。   In the above embodiment, an example is shown in which the present invention is applied to a SiC semiconductor element. However, the suppression of electric field concentration on the surface by providing a spatial modulation structure can also be applied to other high-voltage semiconductor elements. Is possible.

本発明は、高耐圧のSiC半導体素子に利用可能である。GaNなどの半導体素子にも利用可能である。   The present invention is applicable to a high breakdown voltage SiC semiconductor element. It can also be used for semiconductor elements such as GaN.

1…4H−SiCのn型基板、3…nSiC層(耐圧維持層)、5…p−SiC層、7…アノード電極、11…カソード電極、12…従来のJTE(接合終端)領域、13…第1のJTE領域、13a…第2のJTE領域、15…ポリイミド、21…SMR(空間変調構造)、21a、21b、21c…p型不純物領域、73…ソース電極、75…絶縁膜、77…ゲート電極、81…ショットキー電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 4H-SiC n-type substrate, 3 ... n - SiC layer (pressure | voltage resistant maintenance layer), 5 ... p <+>- SiC layer, 7 ... Anode electrode, 11 ... Cathode electrode, 12 ... Conventional JTE (junction termination) area | region , 13 ... 1st JTE region, 13a ... 2nd JTE region, 15 ... Polyimide, 21 ... SMR (spatial modulation structure), 21a, 21b, 21c ... p-type impurity region, 73 ... Source electrode, 75 ... Insulating film , 77... Gate electrode, 81... Schottky electrode.

Claims (5)

素子の外周端部に、第1導電型の耐圧維持層および有限長さの前記第1導電型とは異なる第2導電型の領域からなる接合終端構造を備えたSiC半導体素子であって、
前記接合終端構造の一部において、第1の方向である層方向に対して、前記接合終端領域の内側端であって前記素子の外周端から前記接合終端領域の外側端に向かって、前記第1導電型領域の不純物濃度が空間的に変調され、不純物濃度が徐々に減少する傾向を持って形成された接合終端構造を有することを特徴とするSiC半導体素子。
A SiC semiconductor device comprising a junction termination structure comprising a first conductivity type withstand voltage maintaining layer and a second conductivity type region different from the first conductivity type having a finite length at an outer peripheral end of the device,
In a part of the junction termination structure, with respect to the layer direction that is a first direction, the inner end of the junction termination region and from the outer peripheral end of the element toward the outer end of the junction termination region, the first An SiC semiconductor device having a junction termination structure formed so that the impurity concentration of one conductivity type region is spatially modulated and the impurity concentration tends to gradually decrease.
前記接合終端構造において、
前記第1の方向と交差する第2の方向である深さ方向に前記第2導電型の不純物濃度分布が同じである領域が、層方向に対して複数に分割されており、かつ、その分割された領域の幅が前記接合終端領域の外側に向かって狭くなる傾向を持って形成されていることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体素子。
In the junction termination structure,
A region having the same impurity concentration distribution of the second conductivity type in the depth direction, which is the second direction intersecting the first direction, is divided into a plurality in the layer direction, and the division 2. The SiC semiconductor device according to claim 1, wherein the width of the formed region is formed with a tendency to narrow toward the outside of the junction termination region.
前記接合終端構造において、
前記第1の方向と交差する第2の方向である深さ方向に前記第2導電型の不純物濃度分布が同じである領域が、層方向に対して複数に分割されており、かつ、その分割された領域の間隔が前記接合終端領域の外側に向かって広がる傾向を持って形成されていることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体素子。
In the junction termination structure,
A region having the same impurity concentration distribution of the second conductivity type in the depth direction, which is the second direction intersecting the first direction, is divided into a plurality in the layer direction, and the division 2. The SiC semiconductor device according to claim 1, wherein an interval between the formed regions has a tendency to expand toward an outside of the junction termination region.
前記の接合終端構造において、
層方向に分割された領域の幅をLWj(jは自然数で接合終端領域の内側から番号を付す)、領域の間隔をLSjとするとき、LWj+1/(LWj+1 + LSj+1) = A×LWj/(LWj + LSj) (ここでA は0.1〜0.9の範囲の実数であり、0.5〜0.8が望ましい)なる関係が成り立つように平均的な不純物濃度が空間変調されていることを特徴とする請求項2又は3に記載のSiC半導体素子。
In the above junction termination structure,
When the width of the region divided in the layer direction is L Wj (j is a natural number and numbered from the inside of the junction termination region), and the region interval is L Sj , L Wj + 1 / (L Wj + 1 + L Sj + 1 ) = A × L Wj / (L Wj + L Sj ) (where A is a real number in the range of 0.1 to 0.9, preferably 0.5 to 0.8). 4. The SiC semiconductor element according to claim 2, wherein the SiC semiconductor element is spatially modulated.
請求項1から4までのいずれか1項に記載のSiC半導体素子の製造方法であって、
前記第2導電型の不純物を一括して添加する工程を有することを特徴とするSiC半導体素子の製造方法。

It is a manufacturing method of the SiC semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A method of manufacturing a SiC semiconductor device, comprising: adding the second conductivity type impurities in a lump.

JP2011059992A 2011-03-18 2011-03-18 Semiconductor element and manufacturing method therefor Pending JP2012195519A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011059992A JP2012195519A (en) 2011-03-18 2011-03-18 Semiconductor element and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011059992A JP2012195519A (en) 2011-03-18 2011-03-18 Semiconductor element and manufacturing method therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012195519A true JP2012195519A (en) 2012-10-11

Family

ID=47087111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011059992A Pending JP2012195519A (en) 2011-03-18 2011-03-18 Semiconductor element and manufacturing method therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012195519A (en)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014083968A1 (en) * 2012-11-29 2014-06-05 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device, and manufacturing method for same
WO2014112204A1 (en) * 2013-01-16 2014-07-24 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
CN104882357A (en) * 2014-02-28 2015-09-02 株洲南车时代电气股份有限公司 Semiconductor device voltage-resistant terminal structure and manufacturing method for SiC device
JP2015204411A (en) * 2014-04-15 2015-11-16 住友電気工業株式会社 silicon carbide semiconductor device
JP2015220437A (en) * 2014-05-21 2015-12-07 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
WO2016103814A1 (en) * 2014-12-25 2016-06-30 富士電機株式会社 Semiconductor device
JP2016167632A (en) * 2016-05-17 2016-09-15 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
JPWO2015033463A1 (en) * 2013-09-09 2017-03-02 株式会社日立製作所 Semiconductor device and manufacturing method thereof, power conversion device, three-phase motor system, automobile, and railway vehicle
JP2018088489A (en) * 2016-11-29 2018-06-07 株式会社日立製作所 Semiconductor and manufacturing method thereof and power conversion device
DE112016004086T5 (en) 2015-09-09 2018-06-14 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Semiconductor device
US10134920B2 (en) 2015-10-30 2018-11-20 Mitsubishi Electric Corporation Silicon carbide semiconductor device
US10269952B2 (en) 2016-11-16 2019-04-23 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device having steps in a termination region and manufacturing method thereof
US10756200B2 (en) 2016-11-16 2020-08-25 Fuji Electric Co., Ltd. Silicon carbide semiconductor element and method of manufacturing silicon carbide semiconductor
JP2021010027A (en) * 2020-10-16 2021-01-28 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP2021073737A (en) * 2021-02-10 2021-05-13 株式会社日立製作所 Semiconductor device and power converter
US12027617B2 (en) 2020-12-18 2024-07-02 Fuji Electric Co., Ltd. Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing silicon carbide semiconductor device

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59110164A (en) * 1982-12-03 1984-06-26 エヌ・ベ−・フイリップス・フル−イランペンファブリケン Semiconductor device
JPS61248555A (en) * 1985-04-26 1986-11-05 フィリップス エレクトロニクス ネムローゼ フェンノートシャップ Planar semiconductor device having guard construction and manufacture thereof
JP2000516767A (en) * 1996-07-16 2000-12-12 エービービー リサーチ リミテッド SiC semiconductor device including pn junction having voltage absorbing edge
JP2003101039A (en) * 2001-07-17 2003-04-04 Toshiba Corp High voltage semiconductor device
JP2007165604A (en) * 2005-12-14 2007-06-28 Kansai Electric Power Co Inc:The Silicon carbide bipolar semiconductor device
JP2008010506A (en) * 2006-06-27 2008-01-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP2008034646A (en) * 2006-07-28 2008-02-14 Toshiba Corp High breakdown voltage semiconductor device
JP2009277806A (en) * 2008-05-13 2009-11-26 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Semiconductor device
WO2010132144A1 (en) * 2009-05-12 2010-11-18 Cree, Inc. Diffused junction termination structures for silicon carbide devices and methods of fabricating silicon carbide devices incorporating same
WO2012049872A1 (en) * 2010-10-15 2012-04-19 三菱電機株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing same

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59110164A (en) * 1982-12-03 1984-06-26 エヌ・ベ−・フイリップス・フル−イランペンファブリケン Semiconductor device
JPS61248555A (en) * 1985-04-26 1986-11-05 フィリップス エレクトロニクス ネムローゼ フェンノートシャップ Planar semiconductor device having guard construction and manufacture thereof
JP2000516767A (en) * 1996-07-16 2000-12-12 エービービー リサーチ リミテッド SiC semiconductor device including pn junction having voltage absorbing edge
JP2003101039A (en) * 2001-07-17 2003-04-04 Toshiba Corp High voltage semiconductor device
JP2007165604A (en) * 2005-12-14 2007-06-28 Kansai Electric Power Co Inc:The Silicon carbide bipolar semiconductor device
JP2008010506A (en) * 2006-06-27 2008-01-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP2008034646A (en) * 2006-07-28 2008-02-14 Toshiba Corp High breakdown voltage semiconductor device
JP2009277806A (en) * 2008-05-13 2009-11-26 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Semiconductor device
WO2010132144A1 (en) * 2009-05-12 2010-11-18 Cree, Inc. Diffused junction termination structures for silicon carbide devices and methods of fabricating silicon carbide devices incorporating same
WO2012049872A1 (en) * 2010-10-15 2012-04-19 三菱電機株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing same

Cited By (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9224877B2 (en) 2012-11-29 2015-12-29 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing same
WO2014083968A1 (en) * 2012-11-29 2014-06-05 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device, and manufacturing method for same
WO2014112204A1 (en) * 2013-01-16 2014-07-24 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
JP2014138048A (en) * 2013-01-16 2014-07-28 Sumitomo Electric Ind Ltd Silicon carbide semiconductor device
US8981385B2 (en) 2013-01-16 2015-03-17 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Silicon carbide semiconductor device
JPWO2015033463A1 (en) * 2013-09-09 2017-03-02 株式会社日立製作所 Semiconductor device and manufacturing method thereof, power conversion device, three-phase motor system, automobile, and railway vehicle
US9711600B2 (en) 2013-09-09 2017-07-18 Hitachi, Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing the same, power conversion device, three-phase motor system, automobile, and railway vehicle
CN104882357A (en) * 2014-02-28 2015-09-02 株洲南车时代电气股份有限公司 Semiconductor device voltage-resistant terminal structure and manufacturing method for SiC device
JP2015204411A (en) * 2014-04-15 2015-11-16 住友電気工業株式会社 silicon carbide semiconductor device
JP2015220437A (en) * 2014-05-21 2015-12-07 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
WO2016103814A1 (en) * 2014-12-25 2016-06-30 富士電機株式会社 Semiconductor device
CN106463547A (en) * 2014-12-25 2017-02-22 富士电机株式会社 Semiconductor device
JPWO2016103814A1 (en) * 2014-12-25 2017-05-25 富士電機株式会社 Semiconductor device
US10727304B2 (en) 2014-12-25 2020-07-28 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
US10374043B2 (en) 2014-12-25 2019-08-06 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
CN106463547B (en) * 2014-12-25 2019-10-18 富士电机株式会社 Semiconductor device
US10453952B2 (en) 2015-09-09 2019-10-22 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Semiconductor device
US10424642B2 (en) 2015-09-09 2019-09-24 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Silicon carbide semiconductor device
DE112016004086T5 (en) 2015-09-09 2018-06-14 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Semiconductor device
US10134920B2 (en) 2015-10-30 2018-11-20 Mitsubishi Electric Corporation Silicon carbide semiconductor device
JP2016167632A (en) * 2016-05-17 2016-09-15 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device
US10269952B2 (en) 2016-11-16 2019-04-23 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device having steps in a termination region and manufacturing method thereof
US10756200B2 (en) 2016-11-16 2020-08-25 Fuji Electric Co., Ltd. Silicon carbide semiconductor element and method of manufacturing silicon carbide semiconductor
JP2018088489A (en) * 2016-11-29 2018-06-07 株式会社日立製作所 Semiconductor and manufacturing method thereof and power conversion device
JP2021010027A (en) * 2020-10-16 2021-01-28 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP7074173B2 (en) 2020-10-16 2022-05-24 富士電機株式会社 Semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices
US12027617B2 (en) 2020-12-18 2024-07-02 Fuji Electric Co., Ltd. Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2021073737A (en) * 2021-02-10 2021-05-13 株式会社日立製作所 Semiconductor device and power converter
JP7153986B2 (en) 2021-02-10 2022-10-17 株式会社日立製作所 Semiconductor equipment and power conversion equipment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2012195519A (en) Semiconductor element and manufacturing method therefor
JP4564510B2 (en) Power semiconductor device
JP5452914B2 (en) Silicon carbide junction barrier Schottky diode with suppressed minority carrier injection
JP6407920B2 (en) SiC device with high blocking voltage terminated by a negative bevel
JP5324603B2 (en) Dual guard ring end termination for silicon carbide devices and method of manufacturing silicon carbide devices incorporating the same
JP5306392B2 (en) Semiconductor rectifier
JP5665912B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6855700B2 (en) Semiconductor devices and their manufacturing methods
JP6242633B2 (en) Semiconductor device
JP5365016B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5439417B2 (en) Semiconductor rectifier
JP2008016461A (en) Semiconductor device
JP2007116190A (en) Semiconductor element and its manufacturing method
JP5940500B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US9349797B2 (en) SiC devices with high blocking voltage terminated by a negative bevel
JP5044117B2 (en) Silicon carbide bipolar semiconductor device
JP2013251406A (en) Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
US9722029B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
JP2014187111A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2024107474A (en) Semiconductor Device
JP5377548B2 (en) Semiconductor rectifier
JP5872327B2 (en) Semiconductor rectifier
JP2016162776A (en) Semiconductor device
JP2015225934A (en) Semiconductor device
JP6362702B2 (en) Bipolar non punch-through power semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140304

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150203

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150324

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160105

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160307

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20160920