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JP4044332B2 - High voltage semiconductor device - Google Patents
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JP4044332B2 - High voltage semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は大電流を制御するパワー半導体装置に係り、特に高耐圧のパワー半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ワイドギャップ半導体材料の炭化珪素(SiC)などは、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界強度が約10倍以上高い等の優れた特性を有しており、高い耐逆電圧特性を要する高耐電圧パワー半導体装置の好適な材料として注目されている。
SiCを用いた従来例のワイドギャップ高耐電圧半導体装置としては、例えば図9の断面図に示す耐電圧約12kVのSiCのpnダイオードが、2001年のInternational Symposium on Power Semicondumctor Devices & ICs の予稿集の27から30ページに示されている。図9はSiCpnダイオードの右半分の断面を拡大して示しており、左半分は右半分と線対称であるので図示を省略している。この従来例では、下面にカソード電極107を有するn型SiCのカソード領域101の上面にn型ドリフト層102を形成し、n型ドリフト層102の中央部分にp型層103を形成している。p型層103には良導体の薄い金属膜によるアノードコンタクト電極108が設けられている。アノードコンタクト電極108には、電気抵抗を低くするため厚くなされた金属膜のアノード電極109が設けられている。アノードコンタクト電極108には、SiCとの接着性に優れたチタン等が用いられ、アノード電極109には、耐蝕性のある金等が用いられる。p型層103の端部領域にはターミネーション領域Tが設けられている。「ターミネーション領域」とは高耐圧半導体素子の周辺部における電界集中を抑制するために、特殊な構造にした周辺領域のことをいう。ターミネーション領域Tの左端部にはp型領域104が形成され、右端部には、空乏層がn型ドリフト層102の端部に拡がるのを防ぐためのn型チャネルストッパー領域105が形成されている。この高耐電圧ダイオードの表面には、アノード電極109の部分を除いて、厚さ約2μmの二酸化珪素の膜のパッシベーション膜106が表面保護のために設けられている。
【0003】
図10は従来のSiCのMOS電界効果トランジスタ(MOSFET)の断面図である。このMOSFETのチップサイズは縦及び横がともに4mm(4mm×4mm)である。図において、下面にドレイン電極53を有する高不純物濃度のn型ドレイン層11として働く基板の上にn型ドリフト層2が形成されている。n型ドリフト層2の上に部分的に形成したp型ボディ層33の一部にn型ソース層7が形成されており、p型ボディ層33にトレンチ(溝)60が形成されている。トレンチ60内にはゲート絶縁物層8を介してゲート54が形成されている。p型ボディ層33及びn型ソース層7の上にソースコンタクト電極155が設けられ、全てのソースコンタクト電極155は、トレンチ60のない部分でソース電極161に接続されている。
【0004】
図11は従来のSiCのゲート・ターンオフ・サイリスタ(GTO)の断面図である。図において、アノード電極51を有し、アノード層21として機能する高不純物濃度のp型SiCの基板に、低不純物濃度のn型ドリフト層2を形成している。n型ドリフト層2の上にp型層22を形成し、p型層22の全面にn型カソード領域23を形成する。n型カソード領域23の所定部分をp型層22に達する深さまでエッチングし、エッチングした部分にp型層22に接するようにゲート電極54を形成する。すべてのゲート電極54、54、54・・・は図11の断面では見えない位置で共通に接続されている。残ったn型カソード領域23にカソードコンタクト電極159を形成する。すべてのカソードコンタクト電極159の上に各カソードコンタクト電極159に接触するカソード電極150が形成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
SiCは、絶縁破壊電界強度が高いという特性から半導体装置の高耐電圧化に適しているが、SiCの単結晶基板にはマイクロパイプと呼ばれる直径数μm程度の結晶欠陥が多数存在する。このため、面積の大きな半導体装置を作製しようとすると歩留まりが悪くなる。実用的なSiCの半導体装置の最大面積は、0.7cm程度である。そこで、このような比較的小さな面積の半導体装置において高い逆耐電圧を確保する必要がある。SiCを用いた半導体装置は、絶縁破壊電界がSiの約10倍以上と高いために、Siを用いた半導体装置に比べてより短い幅のターミネーション領域TでSiの半導体装置と同程度の逆耐電圧を有する。このような半導体装置内の逆耐電圧を「内部耐電圧」という。内部耐電圧は、実質的に降伏電圧に等しい。
【0006】
SiCの半導体装置では、その通電面積を出来るだけ大きくするために、アノードコンタクト電極108とアノード電極109の面積を大きくし、ターミネーション領域Tの面積を出来るだけ小さくするのが望ましい。しかし、小さな面積の半導体装置において、ターミネーション領域Tを縮小し、アノード電極109の面積を大きくすると、半導体装置の端部R1とアノード電極109の端部R2との間の距離が短くなる。その結果、カソード電極107の電位に近くなる端部R1とアノード電位にある端部R2間の空間の耐電圧である「外部耐電圧」が低くなり気中放電を起こす、という問題がある。例えば図9に示すSiCの高耐圧ダイオードの場合、ターミネーション領域Tの幅は500ミクロンなので、端部R1とR2間の距離も約500ミクロンである。このダイオードのパッケージの封入ガスとしてSi半導体装置に一般的に用いられている窒素を用いると、窒素の絶縁破壊電界は3.8kV/mmであるので、500ミクロンの距離の放電開始電圧である1.9kV(=3.8kV/mm×0.5mm)で気中放電が起こってしまう。半導体装置の耐電圧は、内部耐電圧と外部耐電圧の低い方で決まる。
【0007】
端部R1とR2間の外部耐電圧を高くする方法として、端部R2を含むアノード電極109の右側部分を点線で示すようにパッシベーション膜106Aで覆うことも考えられる。SiC半導体素子は300から700℃の高温で使用することが多く、パッシベーション膜106Aは二酸化珪素等の耐熱性のある材質の膜でなければならない。二酸化珪素は端部R2のように高い段差のある壁面に形成するのが難しく、また形成できたとしても、使用中の温度サイクルによってひび割れやはく離が生じることがあり長期の信頼性に欠ける、という問題がある。
上記の各問題点は、図10に示す従来のMOSFET及び図11に示す従来のGTOに関しても同様である。
本発明は、比較的小さな面積の半導体装置において、外部耐電圧の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の高耐圧半導体装置は、
一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記ドリフト層と同じ導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における前記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成されたワイドギャップ半導体の活性領域生成層
記活性領域生成層の上に形成した第2の電極、
前記第2の電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記第2の電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記第2の電極における前記第3の電極から露出した領域とを覆うように形成した表面保護膜
を有する。
第3の電極が、ターミネーション領域の電位の高い外縁から離れているので、第3の電極と外縁との間の気中放電開始電圧が高くなる。
【0009】
本発明の他の観点の高耐電圧半導体装置は、
一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第1の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成されると共に、前記ドリフト層に近い部分の不純物濃度に対して、前記ドリフト層から遠い部分の不純物濃度を高くした、第2の導電型のワイドギャップ半導体の活性領域生成層
記活性領域生成層の上に形成した第2の電極、
前記第2の電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記第2の電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記第2の電極における前記第3の電極から露出した領域とを覆うように形成した表面保護膜
を有する。
活性領域生成層の、前記ドリフト層に近い部分の不純物濃度に対して、前記ドリフト層から遠い部分の不純物濃度を高くしたことにより、活性領域が広くなる。
【0010】
本発明の他の観点の高耐電圧半導体装置は、
一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の前記第1の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第1の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成した、第2の導電型のワイドギャップ半導体の第1の半導体
前記第1の半導体層を貫通して前記ドリフト層に至るように設けられて、前記第1の半導体層および前記ドリフト層に絶縁膜を介して対向すると共に、ゲート電極として動作する第2の電極、
前記第1の半導体層の上部における前記第2の電極の近傍に形成されると共に、前記絶縁膜を介して前記第2の電極に対向した前記第1の導電型の高不純物濃度の第2の半導体領域、
前記第2の半導体領域及びこの前記第2の半導体領域の間の前記第1の半導体層の上に設けられると共に前記第2の半導体領域と電気的にコンタクトを取るコンタクト電極、
前記コンタクト電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記コンタクト電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記コンタクト電極, 前記第2の電極および前記絶縁膜が形成された前記第1の半導体層の表面における前記第3の電極から露出した領域と、を覆うように形成した表面保護膜
を有する。
MOS電界効果型の半導体装置のコンタクト電極を厚くし、第3の電極をターミネーション領域から所定距離離すことにより、活性領域が広くなるとともに、耐電圧が高くなる。
【0011】
本発明の他の観点の高耐電圧半導体装置は、
一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の第2の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第2の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成した、第1の導電型のワイドギャップ半導体の第1の半導体
前記第1の半導体層を貫通して前記ドリフト層に至るように設けられて、前記第1の半導体層および前記ドリフト層に絶縁膜を介して対向すると共に、ゲート電極として動作する第2の電極、
前記第1の半導体層の上部における前記第2の電極の近傍に形成されると共に、前記絶 縁膜を介して前記第2の電極に対向した前記第2の導電型の高不純物濃度の第2の半導体領域、
前記第2の半導体領域及びこの前記第2の半導体領域の間の前記第1の半導体層の上に設けられると共に前記第2の半導体領域と電気的にコンタクトを取るコンタクト電極、
前記コンタクト電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記コンタクト電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記コンタクト電極, 前記第2の電極および前記絶縁膜が形成された前記第1の半導体層の表面における前記第3の電極から露出した領域と、を覆うように形成した表面保護膜
を有する。
絶縁ゲートバイポーラ型の半導体装置のコンタクト電極を厚くし、第3の電極をターミネーション領域から所定距離離すことにより、活性領域が広がるとともに耐電圧が高くなる。
【0012】
本発明の他の観点の高耐電圧半導体装置は、
一方の面に第1の電極のアノード電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の第2の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第2の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成した、第1の導電型のワイドギャップ半導体の第1の半導体
第1の半導体層の上に形成した、第2の導電型のカソード領域、
前記第1の半導体層の上における前記カソード領域の間に形成した第2の電極のゲート電極、
前記カソード領域の上に設けられると共に前記カソード領域と電気的にコンタクトを取るカソードコンタクト電極、
前記カソードコンタクト電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記カソードコンタクト電極と電気的に接続された第3の電極のカソード電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記カソードコンタクト電極, 前記カソード領域および前記第2の電極が形成された前記第1の半導体層の表面における前記カソード電極から露出した領域とを覆うように形成した表面保護膜
を有する。
ゲートターンオフサイリスタの半導体装置のコンタクト電極を厚くし、第3の電極をターミネーション領域から所定距離を保つことにより、活性領域が広がるとともに耐電圧が高くなる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図1から図8を参照して説明する。
《第1実施例》
図1は本発明の第1実施例の、炭化珪素(SiC)の半導体材料を用いた高耐電圧半導体装置の上面図である。第1実施例の半導体装置は設計耐電圧が12kVのSiCpnダイオードであり、具体例の縦及び横の寸法はともに8mm(8mm×8mm)である。図2は図1のII−II断面図であり、図1の右半分の断面を示している。図2において、下面に第1の電極のカソード電極50を有する厚さ約350μmの、高不純物濃度のn型SiCのドレイン層1として働く基板の上に、厚さ約100μmの低不純物濃度のn型SiCのドリフト層2を形成している。カソード電極50には端子50Aが設けられることもある。ドリフト層2の左側部分には、厚さ約2μmの低不純物濃度、例えば1×1017atm/cmの、活性領域生成層であるp型層3をエピタキシャル成長法により形成している。活性領域生成層は、通電時にドリフト層2に電荷を注入して、半導体装置をオン状態にする。p型層3の形成過程で、不純物濃度を制御して、p型層3の上層部3Aの不純物濃度を1×1019atm/cm程度に高くする。p型層3の上にチタン等の金属膜による、縦横の寸法がともに7mm(7mm×7mm)の第2の電極のアノードコンタクト電極52を形成し、アノードコンタクト電極52の、図において左端部に金等による第3の電極のアノード電極51を設けている。図1の上面図に示すように、アノードコンタクト電極52及びアノード電極51は、それぞれ略四角形で、ダイオードの中央領域に同心に形成されている。アノード電極51には接続用の端子51Aが設けられることもある。
【0014】
図2において、ドリフト層2をメサエッチング法の一種の反応性イオンエッチング法により浅くエッチングして、ターミネーション領域Tを形成する。ターミネーション領域Tの上面からホウ素又はアルミニウム等のイオン打ち込みをしてp型領域4を形成する。その幅(図の左右方向の長さ)は、約200μmである。p型領域4の不純物濃度は1016から1019atm/cmの範囲にするのが好ましい。ドリフト層2の端部領域、すなわちターミネーション領域Tの右端部(図1では外周部)には、幅が約200μmのn型のチャネルストッパー領域5を形成している。p型領域4とチャネルストッパー領域5の間隔は、約100μmである。ターミネーション領域Tの表面、ターミネーション領域Tに近接するp型層3の斜面及びアノードコンタクト電極52の表面には二酸化珪素や窒化珪素などの薄膜による表面保護膜のパッシベーション膜16が形成されている。パッシベーション膜16の膜厚は、0.4μmから5μmの範囲である。
図1の上面図に示す縦及び横の寸法がともに8mm(8mm×8mm)のSiCダイオードでは、アノード電極51の端部R3は、ターミネーション領域Tの左の端部R4から最大で約1mm離れており、右の端部R1からは約1.5mm離れている。
【0015】
本実施例では、p型層3のアノードコンタクト電極52に近い上層部3Aの不純物濃度を高くすることにより、アノードコンタクト電極52とp型層3の境界における電気伝導度が高くなる。そのため、アノード電極51がアノードコンタクト電極52の中央部分(図1を参照)のみに設けられているにもかかわらず、アノードコンタクト電極52のすべての領域が電流の流れる活性領域となる。すなわち縦横の寸法がともに約7mm(7mm×7mm)の活性領域が確保できる。本実施例のpnダイオードのオン電圧は3.5Vであった。
図2において、本実施例のpnダイオードに逆方向に電圧を印加したとき(以後、逆バイアスという)、p型層3とn型ドリフト層2の接合部34から、カソード電極50、及びアノード電極51に向かって空乏層が広がる。逆バイアス電圧が高くなると、ドリフト層2内に広がる空乏層は、p型領域4の作用により、図の右端のチャネルストッパー領域5へ向かって広がる。この空乏層により電界が緩和され設計耐電圧である12kV以上の高い逆耐電圧(内部耐電圧)が得られる。内部耐電圧は実質的に降伏電圧に等しい。
【0016】
内部耐電圧が12.3kVの本実施例のダイオードを、絶縁性の液体であるフロリナート(商標)を充填したパッケージ内に収納して逆電圧の印加試験をしたところ、12.3kVとほぼ理論値の逆耐電圧が得られた。フロリナート(商標)の絶縁破壊電界は16kV/mmであるので、上記12.3kVの逆耐電圧はこのダイオードの内部耐電圧によるものであり、外部耐電圧は、12.3kV以上であることが判る。しかし、SiCの半導体装置は数100度の高い温度で使用されるので、高温で蒸発しやすいフロリナートは使用できない。
外部耐電圧は、主として、チャネルストッパー領域5の端部R1とアノード電極51の端部R3との間の距離に依存する気中放電開始電圧に等しい。パッケージ内に絶縁性ガスを封入すると、気中放電開始電圧は高くなる。例えば上記パッケージ内に絶縁破壊電界が9kV/mmの高絶縁性ガスである六フッ化硫黄ガス(SF)を封入すると約12kVの逆耐電圧が得られた。絶縁性ガスとしてはSFと窒素の混合ガスも用いられる。なお、SFガスの圧力を大気圧より高くすると、更に逆耐電圧が高くなることが判った。
一方、図9の従来のSiCpnダイオードでは、フロリナート(商標)中での逆耐電圧は7kVであったが、SFガス中では逆耐電圧は4kVと低い値であった。
【0017】
図9の従来のSiCpnダイオードにおいて、例えば、ターミネーション領域Tの幅を1.5mmに拡大すると、SFガス中での逆耐電圧が12kV以上となったが、活性領域が5mm×5mmに減少し、本実施例のものに比べ、約50%少なくなる。その結果ダイオードのオン電圧は3.5Vから5Vに増加した。
本実施例のSiCpnダイオードでは、縦横の寸法がともに約7mmの広い活性領域を保ちつつ、SiCダイオードが本来有する高い内部耐電圧より高い外部耐電圧を得ることできる。SiCダイオードを150℃以下の比較的低い温度で用いるときは、ターミネーション領域Tに樹脂の端部保護材を塗布したり、ダイオード全体をシリコンゴムなどの固体絶縁体で覆ったりして外部耐電圧を高くすることができる。本実施例のSiCpnダイオードは、端部保護剤や固体絶縁体が使用できない300℃以上の高温で用いるもの、及び端部保護剤の塗布が困難な圧接型パッケージを用いるものに有効である。端部保護剤を塗布しないので、製造プロセスの簡略化を図れる。樹脂を用いないので、樹脂と半導体との界面にナトリウムなどのイオンが付着することがなく、半導体装置の信頼性が向上する。また製造プロセスも簡単になる。
【0018】
《第2実施例》
図3は本発明の第2実施例の、プレーナ構造の設計耐電圧12kVのSiC(炭化珪素)pnダイオードの断面図である。第1実施例のSiCpnダイオードはターミネーション領域Tがメサ型であったが、本実施例のものでは、ターミネーション領域Tをプレーナ型にした点が第1実施例と異なる。本実施例のpnダイオードのチップサイズは、縦と横の寸法がともに6mm(6mm×6mm)である。アノード電極51の端部R3をターミネーション領域Tの端部R4から約1mm離している。活性領域生成層であるp型層13の上層部13Aの不純物濃度は、p型層3よりも高い。その他の構成及び動作は第1実施例のものと同じである。
本実施例のpnダイオードの逆耐電圧は、窒素中で2.8kVであった。またSFガスなどの高絶縁性ガス中では12.1kVであった。アノードコンタクト電極52を、中央部からターミネーション領域Tの端部R4の近傍まで形成しているので、活性領域は5mm×5mm(25mm)と最大限の領域を確保でき、オン電圧は3.5Vと低い。
【0019】
例えば、図9の構成のpnダイオードを、本実施例のものと同じチップサイズ6mm×6mmで作り、12kVの逆耐電圧を得るためには、ターミネーション領域Tの幅を1.5mmにする必要があり、結果として活性領域は3mm×3mm(9mm)となる。この面積9mmは本実施例のものの面積25mmの36%でありかなり狭くなる。また、オン電圧は6Vとなり、本実施例のもののオン電圧3.5Vに比べ70%以上高くなった。
本実施例のpnダイオードはターミネーション領域Tをメサ構造にしていないので、メサ構造のものに比べると若干逆耐電圧が低いがメサ形成のプロセスがなく、製造工程が簡単になる。
本実施例では、p型領域13の存在するpnダイオードについて述べたが、p型領域13を形成せず、整流性を示すNiなどの金属をn型ドリフト層2上に形成したショットキーダイオードについても、本実施例と同様に高耐電圧と低オン電圧を同時に実現できる。
【0020】
《第3実施例》
図4は本発明の第3実施例の、設計耐電圧5kVのSiCのMOS電界効果トランジスタ(MOSFET)の断面図である。このMOSFETのチップサイズは縦及び横がともに4mm(4mm×4mm)である。図において、下面に第1の電極のドレイン電極53を有する高不純物濃度のn型ドレイン層11として働く基板の厚さは約200μmである。ドレイン層11の上に形成したn型ドリフト層2の厚さは約50μmである。n型ドリフト層2の上に部分的に形成したp型ボディ層33の厚さは約4μm、p型ボディ層33の一部に形成したn型ソース層7の厚さは約0.5μmである。これらが活性領域生成層となる。活性領域生成層の機能は前記第1実施例と同じである。p型ボディ層33にトレンチ(溝)60が形成されている。トレンチ60の深さは約6μm、幅は約3μmである。トレンチ60内に形成されているゲート絶縁物層8の厚さは、トレンチ60の底部で約1μm、側部で約0.1μmである。トレンチ60内にゲート絶縁物層8を介して第2の電極のゲート電極54が設けられている。p型ボディ層33及びn型ソース層7の上にソースコンタクト電極55が設けられている。ソースコンタクト電極55の厚さは、高い導電性を有するように、図10に示す従来のMOSFETのソースコンタクト電極155の厚さの約2倍になされている。全てのソースコンタクト電極55は、トレンチ60のない部分で共通に接続されるとともに、第3の電極のソース電極61に接続されている。トレンチ60及びゲート電極54は図の紙面に垂直な方向にのびるストライプ状でもよく、また例えば円形や四角形等であってもかまわない。
【0021】
本実施例のMOSFETの製作方法は次のとおりである。図4において、ドレイン層11として機能する、不純物濃度が1018から1020atm/cmのn型SiC基板を用意し、その上面に不純物濃度が1015から1016atm/cmのSiCn型ドリフト層2をエピタキシャル成長法により形成する。n型ドリフト層2の上に、不純物濃度が1016atm/cm程度のSiCp型ボディ層33をエピタキシャル成長法等により形成する。図の左側部分のみp型ボディ層33を残して、他の部分のp型ボディ層33をメサエッチングで除去し、ターミネーション領域Tを形成する。ターミネーション領域Tにイオン打ち込みにより、不純物濃度が1016から1018atm/cmのp型領域4を形成する。ターミネーション領域Tの右端にn型のチャネルストッパー領域5を形成する。残った右側のp型ボディ層33に不純物濃度が1019atm/cm程度のn型ソース領域7を、窒素、りん等のイオン打ち込みにより形成する。n型ソース領域7の不純物濃度は、図10に示す従来のMOSFETでは1018atm/cm程度であるが、本実施例では不純物濃度が1019atm/cmと従来のものの約10倍になされている。
【0022】
次に、異方性エッチングにより、p型ボディ層33を貫通し底部がn型ドリフト層2に達するトレンチ60を形成する。トレンチ60の内壁にSiOのゲート絶縁膜8を形成した後、高濃度のりんを含んだポリシリコンを堆積してトレンチ60を埋める。トレンチ60の内壁のゲート絶縁膜8に付着したポリシリコン膜を残し他のポリシリコンを除去する。ポリシリコンを除去した凹部に導電性物質を充填してポリシリコン膜を含むゲート電極54を形成する。アルミニウム、ニッケル等で、n型領域7とp型ボディ層33の表面にソースコンタクト電極55を形成し、中央部分のソース電極61に接続する。ドレイン層11にドレイン電極53を形成する。最後にソース電極61を除く面に厚さ0.5μm以上のパッシベーション膜16を形成して本実施例のMOSFETが完成する。ターミネーション領域Tの図における左右方向の幅は0.5mmである。本実施例では、ソース電極61がターミネーション領域Tから1mm以上離れているので、端部R1からは約1.5mm離れることになる。
このように構成したMOSFETのソース電極61とゲート電極54間の電圧を零にし、ソース電極とドレイン電極53間に順電圧を印加して耐電圧を測定した。MOSFETを窒素ガス中に置くと4kV以上の耐電圧が得られた。SFガス中に置くと、耐電圧は5.1kVとなりほぼ設計値の耐電圧が得られた。またオン抵抗は55mΩcmであった。
本実施例のMOSFETにおいて、図5に示すようにトレンチを形成せず、ドリフト層2を部分的に高くてもよい。高くしたドリフト層2Aに絶縁膜8Aを介してゲート電極54を設ける。この構成では、図4のものに比べてオン抵抗が若干高くなるが、耐電圧は変わらなかった。
【0023】
本実施例のMOSFETでは、n型ソース領域7の不純物濃度を従来のものの10倍程度にし、従来の2倍の厚さのソースコンタクト電極55をターミネーション領域Tとソース電極61の間に形成することにより、これらの領域が活性領域となる。図4のMOSFETでは活性領域の縦横の寸法はともに3mm(3mm×3mm)であり、その面積は9mmである。
【0024】
図10に示す従来のMOSFETで5.1kVの耐電圧を得るためには、ターミネーション領域Tの幅を1.5mmにする必要がある。チップサイズが4mm×4mmのMOSFETに1.5mm幅のターミネーション領域を設けると、活性領域の縦横の寸法はともに1mm(1mm×1mm)となり、面積は1mmとなる。すなわち本実施例のものの活性領域の面積は9mmであるので、従来例のものの9倍になる。上記活性領域が1mm×1mmの従来のMOSFETのオン抵抗は、470mΩcmのであり、本実施例のものの約8.5倍であり、本実施例のものより劣る。
【0025】
《第4実施例》
図6は本発明の第4実施例の、設計耐電圧5kVのSiCのインシュレーテッド・ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)の断面図である。本実施例のIGBTは、第3実施例のMOSFETのn型ドレイン層11をp型ドレイン層12に変えたものである。その他の構成は前記第3実施例のMOSFETと実質的に同じである。チップサイズは縦横の寸法がともに8mm(8mm×8mm)である。本実施例においては、第3の電極のエミッタ電極57とターミネーション領域Tとの間を1mm以上離しているので、エミッタ電極57と端部R1との間に1.5mm以上の距離を確保できる。IGBTの第2の電極のゲート電極65の電圧を零にして、エミッタ電極57と第1の電極のコレクタ電極56間に順電圧を印加し耐電圧を測定した。その結果、窒素雰囲気中でも4kV以上の耐電圧が得られた。ターミネーション領域Tの端部R4からエミッタ電極57の間にも活性領域が形成されるので、活性領域はチップ面積の76.5%(=7×7÷8÷8)と大きく、エミッタ電極57をチップの中央部のみに設けたにもかかわらずオン抵抗は上昇しなかった。本実施例では、コレクタ層12をp型としているので、オン時、ホールがp型コレクタ層12からn型ドリフト層2に注入され、伝導度変調が生じる。これによってn型ドリフト層2の抵抗が下がり、オン電圧が低くなる。
本実施例のIGBTにおいて、図7に示すようにトレンチを形成せず、ドリフト層2を部分的に高くしてもよい。高くしたドリフト層2Aに絶縁膜8Aを介してゲート電極65を設ける。この構成では、図6のものに比べてオン抵抗が若干高くなるが、耐電圧は変わらなかった。
【0026】
従来のIGBT(図示省略)では、ターミネーション領域Tの幅を1.5mmにする必要があるので、活性領域の面積はチップの面積の39%(=5×5÷8÷8)になる。
本実施例のIGBTのオン電圧は4Vであったが、前記従来のもののオン電圧は6Vである。すなわち本実施例では従来のものに比べてオン電圧を33%低くすることができた。チップ面積がさらに小さい場合は、本実施によって得られる効果はさらに大きくなる。
【0027】
《第5実施例》
図8は本発明の第5実施例の、設計耐圧20kVのSiCのゲート・ターンオフ・サイリスタ(GTO)の断面図である。図において、第1の電極のアノード電極21を有するアノード層21として機能する1018から1020atm/cmの高不純物濃度のp型SiCの基板に、1014から1016atm/cmの低不純物濃度のn型ドリフト層2を気相成長法等により形成する。n型ドリフト層2の上にp型層22を形成する。p型層22の全面にn型カソード領域23を形成する。本実施例のGTOでは、n型カソード領域23の不純物濃度を、図11に示すGTOのn型カソード領域23の10倍程度に高くしてある。n型カソード領域23の所定部分をp型層22に達する深さまでエッチングし、エッチングした部分にp型層22に接するように第2の電極のゲート電極54を形成する。p型層22とn型カソード領域23とで活性領域生成層を形成する。活性領域生成層の機能は前記第1実施例と同じである。すべてのゲート電極54、54、54・・・は図8の断面では見えない位置で共通に接続されている。残ったn型カソード領域23にカソードコンタクト電極59を形成する。本実施例では、カソードコンタクト電極59の厚さを、図11に示す従来のもののカソードコンタクト電極159の厚さの2倍程度に厚くしてある。すべてのカソード電極59、59、59・・・は、図8の断面では見えない位置で共通に接続されている。GTOの中央部のカソードコンタクト電極59の上にカソードコンタクト電極59と接触する厚さ10μmの金の膜により第3の電極のカソード電極50を形成する。カソード電極50に端子50Aを設けてもよい。ターミネーション領域Tの形成方法は第1実施例のものと同様である。
【0028】
本実施例のGTOでは、ターミネーション領域Tの幅は1mm、ターミネーション領域Tとカソード電極50との間隔は0.5mmである。本実施例のGTOのゲート電極54の電圧を零にし、カソード電極50とアノード電極51間に順電圧を印加して耐電圧を測定した。GTOを1気圧のSFガス中に置いたとき、耐電圧11.5kVであり、設計耐電圧20kVに達しなかった。そこでSFガスの圧力を2.5気圧とすると、耐電圧は21.5kVと設計値を超える耐電圧を得ることができた。本実施例のGTOにおいても、ターミネーション領域Tを除くほとんどすべての領域が活性領域となるので、オン抵抗の低いGTOが得られる。
【0029】
以上の各実施例で説明した本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造を含むものである。前記第1ないし第5実施例では、ドリフト層2がn型の半導体装置の場合について述べたが、ドリフト層2がp型の場合には、他の要素のn型領域をp型領域に、p型領域をn型領域に置き変えることにより、本発明の構成を適用できる。前記各実施例では、ワイドギャップ半導体材料としてSiCを用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明は、臨界電界の高いダイヤモンド、ガリウムナイトライドなど他のワイドギャップ半導体材料を用いた半導体装置に有効に適用できる。
【0030】
【発明の効果】
以上各実施例によって詳細に説明したところから明らかなように、本発明の半導体装置は、主電極をターミネーション領域から離れた半導体装置の中央部に形成することにより、主電極と半導体装置の端部の距離を、半導体装置のパッケージに封入した気体の絶縁破壊電圧を超えない範囲で十分大きくすることができる。これにより半導体装置の耐電圧を向上させることができる。主電極とターミネーション領域との間の領域において、p型ボディ層の上層部の不純物限度を大きくしたりコンタクト電極を厚くすることにより広い活性領域が確保され、半導体装置のオン抵抗を低く保つことができる。
さらに、本発明の半導体装置は、そのパッケージ内にSFガスを主成分とした絶縁性ガスを封入することにより、200℃を超える高温でも高い逆耐電圧を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例のSiC pnダイオードの上面図
【図2】 本発明の第1実施例のSiC pnダイオードの断面図
【図3】 本発明の第2実施例のSiC pnダイオードの断面図
【図4】 本発明の第3実施例のトレンチ構造を有するSiC MOSFETの断面図
【図5】 第3実施例の他のSiC MOSFETの断面図
【図6】 本発明の第4実施例のトレンチ構造を有するSiC IGBTの断面図
【図7】 第4実施例の他のSiC IGBTの断面図
【図8】 本発明の第5実施例のSiC GTOの断面図
【図9】 従来のSiC pnダイオードの断面図
【図10】 従来のSiC MOSFETの断面部
【図11】 従来のSiC GTOの断面図
【符号の説明】
1 ドレイン層
2 ドリフト層
3 p型層
3A 上層部
4 p型領域
5 チャネルストッパー領域
11 ドレイン層
12 コレクタ層
16 パッシベーション膜
21 アノード層
22 P型層
23 カソード領域
33 ボディ層
50 カソード電極
51 アノード電極
52 アノードコンタクト電極
53 ドレイン電極
54 ゲート電極
55 ソースコンタクト電極
56 コレクタ電極
57 エミッタ電極
58 エミッタコンタクト電極
59 カソードコンタクト電極
60 トレンチ
61 ソース電極
65 ゲート電極
101 カソード領域
102 ドリフト層
103 p型層
104 p型領域
105 チャネルストッパー領域
106 パッシベーション膜
107 カソード電極
108 アノードコンタクト電極
109 アノード電極
T ターミネーション領域
R1、R2、R3、R4 端部
[0001]
[Industrial application fields]
  The present invention relates to a power semiconductor device that controls a large current, and more particularly to a high-withstand-voltage power semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
  Silicon carbide (SiC), which is a wide gap semiconductor material, has excellent characteristics such as about 10 times higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si), and has high resistance to high reverse voltage characteristics. It attracts attention as a suitable material for voltage power semiconductor devices.
  As a conventional wide gap high withstand voltage semiconductor device using SiC, for example, a SiC pn diode having a withstand voltage of about 12 kV shown in the cross-sectional view of FIG. 9 is a preliminary collection of International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs of 2001. Pages 27-30. FIG. 9 shows an enlarged cross section of the right half of the SiC pn diode, and the left half is not shown because it is symmetrical with the right half. In this conventional example, an n-type drift layer 102 is formed on the upper surface of an n-type SiC cathode region 101 having a cathode electrode 107 on the lower surface, and a p-type layer 103 is formed in the central portion of the n-type drift layer 102. The p-type layer 103 is provided with an anode contact electrode 108 made of a thin metal film having a good conductor. The anode contact electrode 108 is provided with a metal film anode electrode 109 which is made thick in order to reduce electric resistance. For the anode contact electrode 108, titanium or the like having excellent adhesion to SiC is used, and for the anode electrode 109, corrosion-resistant gold or the like is used. A termination region T is provided in the end region of the p-type layer 103. The “termination region” refers to a peripheral region having a special structure in order to suppress electric field concentration in the peripheral portion of the high voltage semiconductor element. A p-type region 104 is formed at the left end of the termination region T, and an n-type channel stopper region 105 for preventing the depletion layer from spreading to the end of the n-type drift layer 102 is formed at the right end. . On the surface of the high withstand voltage diode, a passivation film 106 of a silicon dioxide film having a thickness of about 2 μm is provided for surface protection except for the anode electrode 109.
[0003]
  FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional SiC MOS field effect transistor (MOSFET). The chip size of this MOSFET is 4 mm (4 mm × 4 mm) both vertically and horizontally. In the figure, an n-type drift layer 2 is formed on a substrate serving as a high impurity concentration n-type drain layer 11 having a drain electrode 53 on the lower surface. An n-type source layer 7 is formed in a part of a p-type body layer 33 partially formed on the n-type drift layer 2, and a trench (groove) 60 is formed in the p-type body layer 33. A gate 54 is formed in the trench 60 via the gate insulator layer 8. A source contact electrode 155 is provided on the p-type body layer 33 and the n-type source layer 7, and all the source contact electrodes 155 are connected to the source electrode 161 at a portion where the trench 60 is not provided.
[0004]
  FIG. 11 is a sectional view of a conventional SiC gate turn-off thyristor (GTO). In the figure, a low impurity concentration n-type drift layer 2 is formed on a high impurity concentration p-type SiC substrate having an anode electrode 51 and functioning as the anode layer 21. A p-type layer 22 is formed on the n-type drift layer 2, and an n-type cathode region 23 is formed on the entire surface of the p-type layer 22. A predetermined portion of the n-type cathode region 23 is etched to a depth reaching the p-type layer 22, and a gate electrode 54 is formed in contact with the p-type layer 22 at the etched portion. All the gate electrodes 54, 54, 54... Are connected in common at positions that are not visible in the cross section of FIG. A cathode contact electrode 159 is formed on the remaining n-type cathode region 23. Cathode electrodes 150 that are in contact with the cathode contact electrodes 159 are formed on all the cathode contact electrodes 159.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
  SiC is suitable for increasing the withstand voltage of a semiconductor device because of its high dielectric breakdown electric field strength, but the SiC single crystal substrate has many crystal defects called micropipes with a diameter of about several μm. For this reason, when it is going to manufacture a semiconductor device with a large area, a yield will worsen. The maximum area of a practical SiC semiconductor device is 0.7 cm.2Degree. Therefore, it is necessary to ensure a high reverse withstand voltage in such a semiconductor device having a relatively small area. Since a semiconductor device using SiC has a dielectric breakdown electric field about 10 times higher than that of Si, a reverse resistance to the same degree as that of a Si semiconductor device in a termination region T having a shorter width than a semiconductor device using Si. Have voltage. Such a reverse withstand voltage in the semiconductor device is called “internal withstand voltage”. The internal withstand voltage is substantially equal to the breakdown voltage.
[0006]
  In an SiC semiconductor device, it is desirable to increase the areas of the anode contact electrode 108 and the anode electrode 109 and to reduce the area of the termination region T as much as possible in order to increase the current-carrying area as much as possible. However, when the termination region T is reduced and the area of the anode electrode 109 is increased in a semiconductor device having a small area, the distance between the end R1 of the semiconductor device and the end R2 of the anode electrode 109 is shortened. As a result, there is a problem that the “external withstand voltage”, which is the withstand voltage of the space between the end R1 close to the potential of the cathode electrode 107 and the end R2 at the anode potential, becomes low and causes air discharge. For example, in the case of the SiC high voltage diode shown in FIG. 9, since the width of the termination region T is 500 microns, the distance between the end portions R1 and R2 is also about 500 microns. When nitrogen that is generally used in a Si semiconductor device is used as the sealing gas for the diode package, the breakdown electric field of nitrogen is 3.8 kV / mm, so that the discharge start voltage is 1 at a distance of 500 microns. Air discharge occurs at .9 kV (= 3.8 kV / mm × 0.5 mm). The withstand voltage of the semiconductor device is determined by the lower of the internal withstand voltage and the external withstand voltage.
[0007]
  As a method of increasing the external withstand voltage between the end portions R1 and R2, it is conceivable to cover the right side portion of the anode electrode 109 including the end portion R2 with a passivation film 106A as indicated by a dotted line. The SiC semiconductor element is often used at a high temperature of 300 to 700 ° C., and the passivation film 106A must be a film of a heat resistant material such as silicon dioxide. It is difficult to form silicon dioxide on a wall with a high level difference like the end portion R2, and even if it can be formed, cracking and peeling may occur due to the temperature cycle during use, and long-term reliability is lacking. There's a problem.
  The above-mentioned problems are the same for the conventional MOSFET shown in FIG. 10 and the conventional GTO shown in FIG.
  An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high external withstand voltage in a semiconductor device having a relatively small area.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The high voltage semiconductor device of the present invention is
  A high-impurity wide gap semiconductor substrate having a first electrode on one side;
  A low-impurity wide gap semiconductor drift layer formed on the other surface of the substrate;
  A termination region having at least one high impurity concentration region of the same conductivity type as the drift layer, formed in an outer peripheral region in the upper portion of the drift layer;
  Above the drift layerOn the inside of the termination area in the part, adjacent to the termination areaFormed wide gap semiconductor active region generation layer,
  in frontA second electrode formed on the active region generating layer;
  The second electrodeOn top of the, The termination areaInner peripheryKeep a certain distance fromFormed and electrically connected to the second electrode.A third electrode, and
  The termination areaWhen,The second electrodeAnd a region exposed from the third electrode inSurface protective film formed to cover
  Have
  Since the third electrode is away from the outer edge having a high potential in the termination region, the air discharge start voltage between the third electrode and the outer edge is increased.
[0009]
  A high withstand voltage semiconductor device according to another aspect of the present invention provides:
  A wide-gap semiconductor substrate of a first conductivity type having a high impurity concentration and having a first electrode on one surface;
  A drift layer of a first conductivity type wide gap semiconductor having a low impurity concentration formed on the other surface of the substrate;
  A termination region having at least one high impurity concentration region of the first conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
  Above the drift layerOn the inside of the termination area in the part, adjacent to the termination areaFormedAsAn active region generating layer of a second conductivity type wide gap semiconductor in which the impurity concentration in the portion far from the drift layer is higher than the impurity concentration in the portion near the drift layer,
  in frontA second electrode formed on the active region generating layer;
  The second electrodeOn top of the, The termination areaInner peripheryKeep a certain distance fromFormed and electrically connected to the second electrode.A third electrode, and
  The termination areaWhen,The second electrodeAnd a region exposed from the third electrode inSurface protective film formed to cover
  Have
  The active region is widened by increasing the impurity concentration in the portion far from the drift layer with respect to the impurity concentration in the portion near the drift layer of the active region generation layer.
[0010]
  A high withstand voltage semiconductor device according to another aspect of the present invention provides:
  A wide-gap semiconductor substrate of a first conductivity type having a high impurity concentration and having a first electrode on one surface;
  A low impurity concentration formed on the other surface of the substrate.SaidA drift layer of a wide gap semiconductor of a first conductivity type;
  A termination region having at least one high impurity concentration region of the first conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
  Above the drift layerOn the inside of the termination area in the part, adjacent to the termination areaFormedThe secondOf wide-gap semiconductorFirst semiconductorlayer,
  Provided so as to penetrate the first semiconductor layer and reach the drift layer, and the first semiconductor layer andVia an insulating film to the drift layerAs opposed toAs a gate electrodeOperateA second electrode,
  Over the first semiconductor layer.Near the second electrodeBesideFormationAnd opposed to the second electrode through the insulating filmdidSaidHigh impurity concentration of the first conductivity typeSecond semiconductorregion,
  The secondSemiconductor region and the first semiconductor layer between the second semiconductor regionProvided onAs,Electrical contact with the second semiconductor regionContact electrodes,
  Contact electrodeOn top of the, The termination areaInner peripheryKeep a certain distance fromFormed and electrically connected to the contact electrode.A third electrode, and
  The termination areaWhen,Contact electrode, A region exposed from the third electrode on the surface of the first semiconductor layer on which the second electrode and the insulating film are formed;Surface protective film formed to cover
  Have
  By thickening the contact electrode of the MOS field effect type semiconductor device and separating the third electrode from the termination region by a predetermined distance, the active region becomes wider and the withstand voltage becomes higher.
[0011]
  A high withstand voltage semiconductor device according to another aspect of the present invention provides:
  High impurity concentration with a first electrode on one sideFirstWide gap semiconductor substrate of conductive type,
  A low impurity concentration formed on the other surface of the substrate.SecondWide gap semiconductor drift layer of conductivity type,
  A termination region having at least one high impurity concentration region of the second conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
  Above the drift layerOn the inside of the termination area in the part, adjacent to the termination areaFormed,FirstOf wide-gap semiconductor of conductivity typeFirst semiconductorlayer,
  Provided so as to penetrate the first semiconductor layer and reach the drift layer, and the first semiconductor layer andVia an insulating film to the drift layerAs opposed toAs a gate electrodeOperateA second electrode,
  Over the first semiconductor layer.Near the second electrodeBesideFormationAnd Opposing to the second electrode through an edge filmdidThe secondHigh impurity concentration of conductivity typeSecond semiconductorregion,
  The secondSemiconductor region and the first semiconductor layer between the second semiconductor regionProvided onAs,Electrical contact with the second semiconductor regionContact electrodes,
  Contact electrodeOn top of the, The termination areaInner peripheryKeep a certain distance fromFormed and electrically connected to the contact electrode.A third electrode, and
  The termination areaWhen,Contact electrode, A region exposed from the third electrode on the surface of the first semiconductor layer on which the second electrode and the insulating film are formed;Surface protective film formed to cover
  Have
  By thickening the contact electrode of the insulated gate bipolar semiconductor device and separating the third electrode from the termination region by a predetermined distance, the active region is expanded and the withstand voltage is increased.
[0012]
  A high withstand voltage semiconductor device according to another aspect of the present invention provides:
  High impurity concentration with anode of first electrode on one sideFirstWide gap semiconductor substrate of conductive type,
  A low impurity concentration formed on the other surface of the substrate.SecondWide gap semiconductor drift layer of conductivity type,
  A termination region having at least one high impurity concentration region of the second conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
  Above the drift layerOn the inside of the termination area in the part, adjacent to the termination areaFormed,FirstOf wide-gap semiconductor of conductivity typeFirst semiconductorlayer,
  in frontRecordFirst semiconductorFormed on the layer,SecondCathode region of conductivity type,
  SaidFirst semiconductorOn the layerBetween the cathode regions inA gate electrode of the formed second electrode;
  Provided on the cathode region.As,Electrical contact with the cathode regionCathode contact electrode,
  The cathode contact electrodeOn top of the, The termination areaInner peripheryKeep a certain distance fromFormed and electrically connected to the cathode contact electrode.A cathode electrode of the third electrode; and
  The termination areaWhen,SaidCathodeContact electrode, A region exposed from the cathode electrode on a surface of the first semiconductor layer on which the cathode region and the second electrode are formed;Surface protective film formed to cover
  Have
  By increasing the contact electrode of the semiconductor device of the gate turn-off thyristor and keeping the third electrode at a predetermined distance from the termination region, the active region is widened and the withstand voltage is increased.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
<< First Example >>
  FIG. 1 is a top view of a high voltage semiconductor device using a silicon carbide (SiC) semiconductor material according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor device of the first embodiment is a SiC pn diode having a design withstand voltage of 12 kV, and the vertical and horizontal dimensions of the specific example are both 8 mm (8 mm × 8 mm). 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1, and shows a cross section of the right half of FIG. In FIG. 2, a low impurity concentration n having a thickness of about 100 μm is formed on a substrate serving as a drain layer 1 of high impurity concentration n-type SiC having a cathode electrode 50 of the first electrode on the lower surface. A drift layer 2 of type SiC is formed. The cathode electrode 50 may be provided with a terminal 50A. The left portion of the drift layer 2 has a low impurity concentration of about 2 μm, for example, 1 × 10 1017atm / cm3The p-type layer 3 which is an active region generation layer is formed by an epitaxial growth method. The active region generation layer injects electric charges into the drift layer 2 when energized to turn on the semiconductor device. In the process of forming the p-type layer 3, the impurity concentration is controlled so that the impurity concentration of the upper layer portion 3 A of the p-type layer 3 is 1 × 1019atm / cm3Increase to a high degree. A second electrode anode contact electrode 52 of 7 mm (7 mm × 7 mm) in length and width is formed on the p-type layer 3 by a metal film such as titanium, and the anode contact electrode 52 is formed at the left end portion in the drawing. A third electrode anode 51 made of gold or the like is provided. As shown in the top view of FIG. 1, the anode contact electrode 52 and the anode electrode 51 are each substantially rectangular and are formed concentrically in the central region of the diode. The anode electrode 51 may be provided with a connection terminal 51A.
[0014]
  In FIG. 2, the drift layer 2 is etched shallowly by a kind of reactive ion etching method of the mesa etching method to form a termination region T. A p-type region 4 is formed by ion implantation of boron or aluminum from the upper surface of the termination region T. Its width (length in the left-right direction in the figure) is about 200 μm. The impurity concentration of the p-type region 4 is 1016To 1019atm / cm3It is preferable to be in the range. An n-type channel stopper region 5 having a width of about 200 μm is formed in the end region of the drift layer 2, that is, the right end portion (the outer peripheral portion in FIG. 1) of the termination region T. The distance between the p-type region 4 and the channel stopper region 5 is about 100 μm. On the surface of the termination region T, the slope of the p-type layer 3 adjacent to the termination region T, and the surface of the anode contact electrode 52, a passivation film 16 is formed as a surface protection film made of a thin film such as silicon dioxide or silicon nitride. The thickness of the passivation film 16 is in the range of 0.4 μm to 5 μm.
  In the SiC diode having both vertical and horizontal dimensions shown in the top view of FIG. 1 of 8 mm (8 mm × 8 mm), the end R3 of the anode electrode 51 is separated from the left end R4 of the termination region T by about 1 mm at the maximum. And about 1.5 mm away from the right end R1.
[0015]
  In the present embodiment, the electrical conductivity at the boundary between the anode contact electrode 52 and the p-type layer 3 is increased by increasing the impurity concentration of the upper layer portion 3A near the anode contact electrode 52 of the p-type layer 3. Therefore, although the anode electrode 51 is provided only in the central portion of the anode contact electrode 52 (see FIG. 1), all the regions of the anode contact electrode 52 become active regions where current flows. That is, an active region having a vertical and horizontal dimension of about 7 mm (7 mm × 7 mm) can be secured. The on-voltage of the pn diode of this example was 3.5V.
  In FIG. 2, when a voltage is applied in the reverse direction to the pn diode of this embodiment (hereinafter referred to as reverse bias), a cathode electrode 50 and an anode electrode are formed from the junction 34 between the p-type layer 3 and the n-type drift layer 2. A depletion layer spreads toward 51. When the reverse bias voltage increases, the depletion layer that spreads in the drift layer 2 spreads toward the channel stopper region 5 at the right end of the figure by the action of the p-type region 4. By this depletion layer, the electric field is relaxed, and a high reverse withstand voltage (internal withstand voltage) of 12 kV or higher, which is a design withstand voltage, is obtained. The internal withstand voltage is substantially equal to the breakdown voltage.
[0016]
  When the diode of this example having an internal withstand voltage of 12.3 kV was housed in a package filled with Fluorinert (trademark), which is an insulating liquid, and a reverse voltage application test was performed, the theoretical value of 12.3 kV was almost the theoretical value. The reverse withstand voltage was obtained. Since the dielectric breakdown electric field of Fluorinart (trademark) is 16 kV / mm, the reverse withstand voltage of 12.3 kV is due to the internal withstand voltage of this diode, and the external withstand voltage is found to be 12.3 kV or more. . However, since a SiC semiconductor device is used at a high temperature of several hundred degrees, it is not possible to use a fluorinate that easily evaporates at a high temperature.
  The external withstand voltage is mainly equal to the air discharge start voltage that depends on the distance between the end R1 of the channel stopper region 5 and the end R3 of the anode electrode 51. When an insulating gas is sealed in the package, the air discharge start voltage increases. For example, sulfur hexafluoride gas (SF) which is a highly insulating gas having a dielectric breakdown electric field of 9 kV / mm in the package.6), A reverse withstand voltage of about 12 kV was obtained. Insulating gas is SF6A mixed gas of nitrogen and nitrogen is also used. SF6It has been found that the reverse withstand voltage is further increased when the gas pressure is higher than the atmospheric pressure.
  On the other hand, in the conventional SiC pn diode of FIG. 9, the reverse withstand voltage in Fluorinert (trademark) was 7 kV.6The reverse withstand voltage was as low as 4 kV in the gas.
[0017]
  In the conventional SiC pn diode of FIG. 9, for example, when the width of the termination region T is increased to 1.5 mm, SF6Although the reverse withstand voltage in the gas is 12 kV or more, the active region is reduced to 5 mm × 5 mm, which is about 50% less than that of the present example. As a result, the on-voltage of the diode increased from 3.5V to 5V.
  In the SiC pn diode of this example, an external withstand voltage higher than the high internal withstand voltage inherent in the SiC diode can be obtained while maintaining a wide active region having both vertical and horizontal dimensions of about 7 mm. When the SiC diode is used at a relatively low temperature of 150 ° C. or lower, an external withstand voltage is increased by applying a resin end protection material to the termination region T or covering the entire diode with a solid insulator such as silicon rubber. Can be high. The SiC pn diode according to the present embodiment is effective for one that is used at a high temperature of 300 ° C. or higher where an end protection agent or a solid insulator cannot be used, and one that uses a pressure contact type package that is difficult to apply the end protection agent. Since the end protection agent is not applied, the manufacturing process can be simplified. Since no resin is used, ions such as sodium do not adhere to the interface between the resin and the semiconductor, and the reliability of the semiconductor device is improved. The manufacturing process is also simplified.
[0018]
<< Second Embodiment >>
  FIG. 3 is a cross-sectional view of a SiC (silicon carbide) pn diode having a planar withstand voltage of 12 kV according to the second embodiment of the present invention. The SiC pn diode of the first embodiment has a mesa type termination region T. However, the present embodiment differs from the first embodiment in that the termination region T is a planar type. The chip size of the pn diode of this example is 6 mm (6 mm × 6 mm) in both vertical and horizontal dimensions. The end R3 of the anode electrode 51 is separated from the end R4 of the termination region T by about 1 mm. The impurity concentration of the upper layer portion 13A of the p-type layer 13 that is the active region generation layer is higher than that of the p-type layer 3. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
  The reverse withstand voltage of the pn diode of this example was 2.8 kV in nitrogen. SF6It was 12.1 kV in highly insulating gas such as gas. Since the anode contact electrode 52 is formed from the center portion to the vicinity of the end portion R4 of the termination region T, the active region has a size of 5 mm × 5 mm (25 mm).2) And the maximum area can be secured, and the ON voltage is as low as 3.5V.
[0019]
  For example, in order to make a pn diode having the configuration of FIG. 9 with the same chip size 6 mm × 6 mm as that of this embodiment and to obtain a reverse withstand voltage of 12 kV, the width of the termination region T needs to be 1.5 mm. Yes, resulting in an active area of 3 mm x 3 mm (9 mm2) This area 9mm2Is the area of this embodiment 25 mm2It is 36% of that and becomes considerably narrow. The on-voltage was 6V, which is 70% or more higher than the on-voltage of 3.5V in this example.
  Since the pn diode of this example does not have the mesa structure in the termination region T, the reverse withstand voltage is slightly lower than that of the mesa structure, but there is no mesa formation process and the manufacturing process is simplified.
  In the present embodiment, the pn diode in which the p-type region 13 is present has been described. However, the Schottky diode in which the p-type region 13 is not formed and a metal such as Ni having rectifying properties is formed on the n-type drift layer 2. In addition, as in this embodiment, a high withstand voltage and a low on-voltage can be realized simultaneously.
[0020]
<< Third embodiment >>
  FIG. 4 is a cross-sectional view of a SiC MOS field effect transistor (MOSFET) having a design withstand voltage of 5 kV according to the third embodiment of the present invention. The chip size of this MOSFET is 4 mm (4 mm × 4 mm) both vertically and horizontally. In the figure, the thickness of the substrate serving as the high impurity concentration n-type drain layer 11 having the drain electrode 53 of the first electrode on the lower surface is about 200 μm. The n-type drift layer 2 formed on the drain layer 11 has a thickness of about 50 μm. The p-type body layer 33 partially formed on the n-type drift layer 2 has a thickness of about 4 μm, and the n-type source layer 7 formed on a part of the p-type body layer 33 has a thickness of about 0.5 μm. is there. These become the active region generation layer. The function of the active region generation layer is the same as that in the first embodiment. A trench (groove) 60 is formed in the p-type body layer 33. The depth of the trench 60 is about 6 μm and the width is about 3 μm. The thickness of the gate insulator layer 8 formed in the trench 60 is about 1 μm at the bottom of the trench 60 and about 0.1 μm at the side. A gate electrode 54 of the second electrode is provided in the trench 60 via the gate insulator layer 8. A source contact electrode 55 is provided on the p-type body layer 33 and the n-type source layer 7. The thickness of the source contact electrode 55 is about twice that of the source contact electrode 155 of the conventional MOSFET shown in FIG. 10 so as to have high conductivity. All the source contact electrodes 55 are connected in common at a portion where the trench 60 is not provided, and are connected to the source electrode 61 of the third electrode. The trench 60 and the gate electrode 54 may have a stripe shape extending in a direction perpendicular to the paper surface of the drawing, and may be, for example, a circle or a rectangle.
[0021]
  The manufacturing method of the MOSFET of this embodiment is as follows. In FIG. 4, the impurity concentration which functions as the drain layer 11 is 1018To 1020atm / cm3N-type SiC substrate having an impurity concentration of 10 on the upper surface thereof.15To 1016atm / cm3The SiCn type drift layer 2 is formed by an epitaxial growth method. On the n-type drift layer 2, the impurity concentration is 1016atm / cm3A SiCp type body layer 33 having a thickness of about 30 is formed by an epitaxial growth method or the like. The p-type body layer 33 is left only in the left part of the figure, and the p-type body layer 33 in the other part is removed by mesa etching to form a termination region T. The impurity concentration is 10 by ion implantation in the termination region T.16To 1018atm / cm3P-type region 4 is formed. An n-type channel stopper region 5 is formed at the right end of the termination region T. The remaining p-type body layer 33 on the right side has an impurity concentration of 1019atm / cm3About n-type source region 7 is formed by ion implantation of nitrogen, phosphorus or the like. The impurity concentration of n-type source region 7 is 10 for the conventional MOSFET shown in FIG.18atm / cm3However, in this embodiment, the impurity concentration is 1019atm / cm3And about 10 times that of the conventional one.
[0022]
  Next, a trench 60 penetrating the p-type body layer 33 and having the bottom reaching the n-type drift layer 2 is formed by anisotropic etching. SiO on the inner wall of the trench 602After the gate insulating film 8 is formed, polysilicon containing high-concentration phosphorus is deposited to fill the trench 60. The polysilicon film adhered to the gate insulating film 8 on the inner wall of the trench 60 is left and other polysilicon is removed. A conductive material is filled in the recess from which the polysilicon is removed to form a gate electrode 54 including a polysilicon film. A source contact electrode 55 is formed on the surface of the n-type region 7 and the p-type body layer 33 with aluminum, nickel, or the like, and connected to the source electrode 61 in the center portion. A drain electrode 53 is formed on the drain layer 11. Finally, a passivation film 16 having a thickness of 0.5 μm or more is formed on the surface excluding the source electrode 61 to complete the MOSFET of this embodiment. The width of the termination region T in the drawing in the left-right direction is 0.5 mm. In the present embodiment, since the source electrode 61 is separated from the termination region T by 1 mm or more, the source electrode 61 is separated from the end R1 by about 1.5 mm.
  The withstand voltage was measured by setting the voltage between the source electrode 61 and the gate electrode 54 of the MOSFET thus configured to zero and applying a forward voltage between the source electrode and the drain electrode 53. When the MOSFET was placed in nitrogen gas, a withstand voltage of 4 kV or higher was obtained. SF6When placed in the gas, the withstand voltage was 5.1 kV, and the withstand voltage almost as designed was obtained. The on-resistance is 55mΩcm2Met.
  In the MOSFET of the present embodiment, the drift layer 2 may be partially raised without forming a trench as shown in FIG. A gate electrode 54 is provided on the raised drift layer 2A via an insulating film 8A. In this configuration, the on-resistance is slightly higher than that in FIG. 4, but the withstand voltage is not changed.
[0023]
  In the MOSFET of this embodiment, the impurity concentration of the n-type source region 7 is about 10 times that of the conventional one, and the source contact electrode 55 having a thickness twice that of the conventional one is formed between the termination region T and the source electrode 61. Thus, these regions become active regions. In the MOSFET of FIG. 4, the vertical and horizontal dimensions of the active region are both 3 mm (3 mm × 3 mm), and the area is 9 mm.2It is.
[0024]
  In order to obtain a withstand voltage of 5.1 kV with the conventional MOSFET shown in FIG. 10, the width of the termination region T needs to be 1.5 mm. When a 1.5 mm wide termination region is provided in a MOSFET having a chip size of 4 mm × 4 mm, the vertical and horizontal dimensions of the active region are both 1 mm (1 mm × 1 mm), and the area is 1 mm.2It becomes. That is, the area of the active region of this example is 9 mm.2Therefore, it becomes nine times that of the conventional example. The on-resistance of the conventional MOSFET having the active region of 1 mm × 1 mm is 470 mΩcm.2It is about 8.5 times that of the present embodiment, which is inferior to that of the present embodiment.
[0025]
<< 4th Example >>
  FIG. 6 is a cross-sectional view of a SiC insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a design withstand voltage of 5 kV according to a fourth embodiment of the present invention. The IGBT of this embodiment is obtained by changing the n-type drain layer 11 of the MOSFET of the third embodiment into a p-type drain layer 12. Other configurations are substantially the same as those of the MOSFET of the third embodiment. The chip size is 8 mm (8 mm × 8 mm) in both vertical and horizontal dimensions. In the present embodiment, the distance between the emitter electrode 57 of the third electrode and the termination region T is 1 mm or more, so that a distance of 1.5 mm or more can be secured between the emitter electrode 57 and the end portion R1. With the voltage of the gate electrode 65 of the second electrode of the IGBT set to zero, a forward voltage was applied between the emitter electrode 57 and the collector electrode 56 of the first electrode, and the withstand voltage was measured. As a result, a withstand voltage of 4 kV or higher was obtained even in a nitrogen atmosphere. Since an active region is also formed between the end R4 of the termination region T and the emitter electrode 57, the active region is as large as 76.5% (= 7 × 7 ÷ 8 ÷ 8) of the chip area. Despite being provided only at the center of the chip, the on-resistance did not increase. In this embodiment, since the collector layer 12 is p-type, holes are injected from the p-type collector layer 12 into the n-type drift layer 2 when on, and conductivity modulation occurs. As a result, the resistance of the n-type drift layer 2 decreases and the on-voltage decreases.
  In the IGBT of this embodiment, the drift layer 2 may be partially raised without forming a trench as shown in FIG. A gate electrode 65 is provided on the raised drift layer 2A via an insulating film 8A. In this configuration, the on-resistance is slightly higher than that in FIG. 6, but the withstand voltage is not changed.
[0026]
  In a conventional IGBT (not shown), the width of the termination region T needs to be 1.5 mm, so the area of the active region is 39% (= 5 × 5 ÷ 8 ÷ 8) of the chip area.
  The on-voltage of the IGBT of this embodiment was 4V, but the on-voltage of the conventional one is 6V. That is, in this embodiment, the on-voltage can be reduced by 33% compared to the conventional one. When the chip area is smaller, the effect obtained by this implementation is further increased.
[0027]
<< 5th Example >>
  FIG. 8 is a sectional view of a SiC gate turn-off thyristor (GTO) having a design withstand voltage of 20 kV according to the fifth embodiment of the present invention. In the figure, 10 functions as the anode layer 21 having the anode electrode 21 of the first electrode.18To 1020atm / cm310 p of high impurity concentration p-type SiC substrate14To 1016atm / cm3The low impurity concentration n-type drift layer 2 is formed by vapor phase epitaxy or the like. A p-type layer 22 is formed on the n-type drift layer 2. An n-type cathode region 23 is formed on the entire surface of the p-type layer 22. In the GTO of this embodiment, the impurity concentration of the n-type cathode region 23 is set to about 10 times that of the n-type cathode region 23 of the GTO shown in FIG. A predetermined portion of the n-type cathode region 23 is etched to a depth that reaches the p-type layer 22, and a gate electrode 54 of the second electrode is formed in contact with the p-type layer 22 at the etched portion. The p-type layer 22 and the n-type cathode region 23 form an active region generation layer. The function of the active region generation layer is the same as that in the first embodiment. All the gate electrodes 54, 54, 54... Are connected in common at positions that are not visible in the cross section of FIG. A cathode contact electrode 59 is formed in the remaining n-type cathode region 23. In this embodiment, the thickness of the cathode contact electrode 59 is increased to about twice the thickness of the conventional cathode contact electrode 159 shown in FIG. All the cathode electrodes 59, 59, 59... Are connected in common at positions that are not visible in the cross section of FIG. The cathode electrode 50 of the third electrode is formed on the cathode contact electrode 59 in the center of the GTO by using a gold film having a thickness of 10 μm in contact with the cathode contact electrode 59. A terminal 50 </ b> A may be provided on the cathode electrode 50. The formation method of the termination region T is the same as that of the first embodiment.
[0028]
  In the GTO of this embodiment, the width of the termination region T is 1 mm, and the distance between the termination region T and the cathode electrode 50 is 0.5 mm. The withstand voltage was measured by applying a forward voltage between the cathode electrode 50 and the anode electrode 51 while setting the voltage of the gate electrode 54 of the GTO of this embodiment to zero. SF of 1 atm GTO6When placed in gas, the withstand voltage was 11.5 kV, and the design withstand voltage of 20 kV was not reached. So SF6When the gas pressure was 2.5 atm, the withstand voltage was 21.5 kV, and the withstand voltage exceeding the design value could be obtained. Also in the GTO of this embodiment, almost all regions except the termination region T are active regions, so that a GTO with low on-resistance can be obtained.
[0029]
  The present invention described in each of the above embodiments includes many more scopes or derived structures. In the first to fifth embodiments, the case where the drift layer 2 is an n-type semiconductor device has been described. However, when the drift layer 2 is p-type, the n-type region of another element is changed to a p-type region. The configuration of the present invention can be applied by replacing the p-type region with the n-type region. In each of the above embodiments, the case where SiC is used as the wide gap semiconductor material has been described as an example. However, the present invention is a semiconductor device using other wide gap semiconductor materials such as diamond and gallium nitride having a high critical electric field. It can be effectively applied to.
[0030]
【The invention's effect】
  As is clear from the detailed description of the embodiments described above, the semiconductor device of the present invention is formed by forming the main electrode in the central portion of the semiconductor device away from the termination region, so that the main electrode and the end portion of the semiconductor device are formed. Can be made sufficiently large as long as it does not exceed the dielectric breakdown voltage of the gas sealed in the package of the semiconductor device. Thereby, the withstand voltage of the semiconductor device can be improved. In the region between the main electrode and the termination region, a wide active region is secured by increasing the impurity limit of the upper layer portion of the p-type body layer or increasing the thickness of the contact electrode, and the on-resistance of the semiconductor device can be kept low. it can.
  Furthermore, the semiconductor device of the present invention includes SF in its package.6By enclosing an insulating gas containing gas as a main component, it has a high reverse withstand voltage even at a high temperature exceeding 200 ° C.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a SiC pn diode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the SiC pn diode according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a SiC pn diode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a SiC MOSFET having a trench structure according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of another SiC MOSFET according to the third embodiment.
FIG. 6 is a sectional view of a SiC IGBT having a trench structure according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of another SiC IGBT according to the fourth embodiment.
FIG. 8 is a sectional view of a SiC GTO according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view of a conventional SiC pn diode.
FIG. 10 shows a cross section of a conventional SiC MOSFET.
FIG. 11 is a sectional view of a conventional SiC GTO.
[Explanation of symbols]
      1 Drain layer
      2 Drift layer
      3 p-type layer
      3A Upper layer
      4 p-type region
      5 Channel stopper area
      11 Drain layer
      12 Collector layer
      16 Passivation film
      21 Anode layer
      22 P-type layer
      23 Cathode region
      33 Body layer
      50 Cathode electrode
      51 Anode electrode
      52 Anode contact electrode
      53 Drain electrode
      54 Gate electrode
      55 Source contact electrode
      56 Collector electrode
      57 Emitter electrode
      58 Emitter contact electrode
      59 Cathode contact electrode
      60 trench
      61 Source electrode
      65 Gate electrode
      101 Cathode region
      102 Drift layer
      103 p-type layer
      104 p-type region
      105 Channel stopper area
      106 Passivation film
      107 Cathode electrode
      108 Anode contact electrode
      109 Anode electrode
      T termination area
      R1, R2, R3, R4 end

Claims (18)

一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記ドリフト層と同じ導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における前記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成されたワイドギャップ半導体の活性領域生成層
記活性領域生成層の上に形成した第2の電極、
前記第2の電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記第2の電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記第2の電極における前記第3の電極から露出した領域とを覆うように形成した表面保護膜
を有する高耐電圧半導体装置。
A high-impurity wide gap semiconductor substrate having a first electrode on one side;
A low-impurity wide gap semiconductor drift layer formed on the other surface of the substrate;
A termination region having at least one high impurity concentration region of the same conductivity type as the drift layer, formed in an outer peripheral region in the upper portion of the drift layer;
The inside of the termination region, a wide-gap semiconductor active region generating layer formed adjacent to said termination region in the upper portion of the drift layer,
A second electrode formed on the front SL active region generating layer,
A third electrode formed on the second electrode at a predetermined separation distance from an inner periphery of the termination region and electrically connected to the second electrode; and the termination region ; , high withstand voltage semiconductor device having the second of said at electrode third forming surface protective film so as to cover the exposed area from the electrode.
前記活性領域生成層は、前記ドリフト層に近い部分の不純物濃度に対して、前記ドリフト層から遠い部分の不純物濃度を高くしたことを特徴とする請求項1記載の高耐電圧半導体装置。  The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein the active region generation layer has an impurity concentration in a portion far from the drift layer higher than an impurity concentration in a portion near the drift layer. 一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第1の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成されると共に、前記ドリフト層に近い部分の不純物濃度に対して、前記ドリフト層から遠い部分の不純物濃度を高くした、第2の導電型のワイドギャップ半導体の活性領域生成層
記活性領域生成層の上に形成した第2の電極、
前記第2の電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記第2の電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記第2の電極における前記第3の電極から露出した領域とを覆うように形成した表面保護膜
を有する高耐電圧半導体装置。
A wide-gap semiconductor substrate of a first conductivity type having a high impurity concentration and having a first electrode on one surface;
A drift layer of a first conductivity type wide gap semiconductor having a low impurity concentration formed on the other surface of the substrate;
A termination region having at least one high impurity concentration region of the first conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
Inside it said termination region in the upper portion of the drift layer, is formed adjacent to the termination region Rutotomoni for impurity concentration in the portion close to the drift layer, increasing the impurity concentration of the portion far from the drift layer An active region generation layer of a wide gap semiconductor of the second conductivity type ,
A second electrode formed on the front SL active region generating layer,
A third electrode formed on the second electrode at a predetermined separation distance from an inner periphery of the termination region and electrically connected to the second electrode; and the termination region ; , high withstand voltage semiconductor device having the second of said at electrode third forming surface protective film so as to cover the exposed area from the electrode.
前記ターミネーション領域の内周縁と前記第3の電極との間の前記所定の離隔距離を、前記ターミネーション領域の外周縁と前記第3の電極との間の気中放電開始電圧が、前記第1の電極と第2の電極との間の降伏電圧より高くなるように選定したことを特徴とする請求項1又は3記載の高耐電圧半導体装置。The predetermined separation distance between the inner peripheral edge of the termination region and the third electrode is the air discharge start voltage between the outer peripheral edge of the termination region and the third electrode . electrodes and that selected breakdown voltage as from higher high withstand voltage semiconductor device according to claim 1 or 3 wherein between the second electrode. 一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の前記第1の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第1の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成した、第2の導電型のワイドギャップ半導体の第1の半導体
前記第1の半導体層を貫通して前記ドリフト層に至るように設けられて、前記第1の半導体層および前記ドリフト層に絶縁膜を介して対向すると共に、ゲート電極として動作する第2の電極、
前記第1の半導体層の上部における前記第2の電極の近傍に形成されると共に、前記絶縁膜を介して前記第2の電極に対向した前記第1の導電型の高不純物濃度の第2の半導体領域、
前記第2の半導体領域及びこの前記第2の半導体領域の間の前記第1の半導体層の上に設けられると共に前記第2の半導体領域と電気的にコンタクトを取るコンタクト電極、
前記コンタクト電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記コンタクト電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記コンタクト電極, 前記第2の電極および前記絶縁膜が形成された前記第1の半導体層の表面における前記第3の電極から露出した領域と、を覆うように形成した表面保護膜
を有するMOS電界効果型の高電耐圧半導体装置。
A wide-gap semiconductor substrate of a first conductivity type having a high impurity concentration and having a first electrode on one surface;
Was formed on the other surface of the substrate, a low impurity concentration said first conductivity type drift layer having a wider gap semiconductor of,
A termination region having at least one high impurity concentration region of the first conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
The inside of the termination region, the formed adjacent the termination region, a first semiconductor layer of a wide-gap semiconductor of a second conductivity type in the upper portion of the drift layer,
A second electrode provided so as to penetrate the first semiconductor layer and reach the drift layer, and is opposed to the first semiconductor layer and the drift layer via an insulating film and operates as a gate electrode ,
Is formed in a near vicinity of the second electrode in an upper portion of the first semiconductor layer, a second high impurity concentration of the first conductivity type which is opposite to the second electrode through the insulating film Semiconductor region,
It said second semiconductor region and Rutotomoni provided on the first semiconductor layer between the second semiconductor region, the second semiconductor region and electrically contact electrodes making contact,
On the contact electrode, with the inner peripheral edge is formed with a predetermined separation distance of said termination region, and the contact electrode and electrically connected to the third electrode, and said termination region, the contact A MOS field effect type comprising: a surface protection film formed to cover the electrode , the second electrode, and a region exposed from the third electrode on the surface of the first semiconductor layer on which the insulating film is formed High-voltage semiconductor device.
前記第1の電極がドレイン電極、前記第3の電極がソース電極である請求項5記載のMOS電界効果型の高耐電圧半導体装置。  6. The MOS field effect type high withstand voltage semiconductor device according to claim 5, wherein the first electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode. 前記ターミネーション領域の内周縁と前記第3の電極との間の前記所定の離隔距離を、前記ターミネーション領域の外周縁と前記第3の電極との間の気中放電開始電圧が、前記第1の電極と第3の電極との間の降伏電圧より高くなるように選定したことを特徴とする請求項5記載のMOS電界効果型の高耐電圧半導体装置。The predetermined separation distance between the inner peripheral edge of the termination region and the third electrode is the air discharge start voltage between the outer peripheral edge of the termination region and the third electrode . electrode and MOS field-effect high withstand voltage semiconductor device according to claim 5, wherein the selected was to be higher than the breakdown voltage between the third electrode. 一方の面に第1の電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の第2の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第2の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成した、第1の導電型のワイドギャップ半導体の第1の半導体
前記第1の半導体層を貫通して前記ドリフト層に至るように設けられて、前記第1の半導体層および前記ドリフト層に絶縁膜を介して対向すると共に、ゲート電極として動作する第2の電極、
前記第1の半導体層の上部における前記第2の電極の近傍に形成されると共に、前記絶縁膜を介して前記第2の電極に対向した前記第2の導電型の高不純物濃度の第2の半導体領域、
前記第2の半導体領域及びこの前記第2の半導体領域の間の前記第1の半導体層の上に設けられると共に前記第2の半導体領域と電気的にコンタクトを取るコンタクト電極、
前記コンタクト電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記コンタクト電極と電気的に接続された第3の電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記コンタクト電極, 前記第2の電極および前記絶縁膜が形成された前記第1の半導体層の表面における前記第3の電極から露出した領域と、を覆うように形成した表面保護膜
を有する絶縁ゲートバイポーラ型の高耐電圧半導体装置。
A wide-gap semiconductor substrate of a first conductivity type having a high impurity concentration and having a first electrode on one surface;
A drift layer of a low-concentration second conductivity type wide gap semiconductor formed on the other surface of the substrate;
A termination region having at least one high impurity concentration region of the second conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
The inside of the termination region, the formed adjacent the termination region, a first semiconductor layer of a wide-gap semiconductor of a first conductivity type in the upper portion of the drift layer,
A second electrode provided so as to penetrate the first semiconductor layer and reach the drift layer, and is opposed to the first semiconductor layer and the drift layer via an insulating film and operates as a gate electrode ,
Is formed in a near vicinity of the second electrode in an upper portion of the first semiconductor layer, a second high impurity concentration of said second conductivity type opposed to the second electrode through the insulating film Semiconductor region,
It said second semiconductor region and Rutotomoni provided on the first semiconductor layer between the second semiconductor region, the second semiconductor region and electrically contact electrodes making contact,
On the contact electrode, with the inner peripheral edge is formed with a predetermined separation distance of said termination region, and the contact electrode and electrically connected to the third electrode, and said termination region, the contact An insulating gate bipolar type having a surface protective film formed to cover the electrode , the second electrode, and the region exposed from the third electrode on the surface of the first semiconductor layer on which the insulating film is formed High withstand voltage semiconductor device.
前記第1の電極がコレクタ電極であり、前記第3の電極がエミッタ電極である請求項8記載の高耐電圧半導体装置。  9. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 8, wherein the first electrode is a collector electrode, and the third electrode is an emitter electrode. 前記ターミネーション領域の内周縁と前記エミッタ電極との間の前記所定の離隔距離を、前記ターミネーション領域の外周縁と前記エミッタ電極との間の気中放電開始電圧が、前記エミッタ電極とコレクタ電極との間の降伏電圧より高くなるように選定したことを特徴とする請求項9記載の高耐電圧半導体装置。Said predetermined distance between the emitter electrode and the inner peripheral edge of said termination region, air discharge firing voltage between the outer edge and the emitter electrode of said termination region, and the emitter electrode and the collector electrode 10. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 9 , wherein the high withstand voltage semiconductor device is selected so as to be higher than a breakdown voltage therebetween. 前記第2の電極は、前記第1の半導体層を貫通して前記ドリフト層に至るように形成されたトレンチ内に設けられたことを特徴とする請求項5又は8記載の高耐圧半導体装置。9. The high withstand voltage semiconductor device according to claim 5, wherein the second electrode is provided in a trench formed so as to penetrate the first semiconductor layer and reach the drift layer . 一方の面に第1の電極のアノード電極を有する、高不純物濃度の第1の導電型のワイドギャップ半導体の基板、
前記基板の他方の面に形成した、低不純物濃度の第2の導電型のワイドギャップ半導体のドリフト層、
前記ドリフト層の上部における外周部領域に形成した、前記第2の導電型の少なくとも1つの高不純物濃度の領域を有するターミネーション領域、
前記ドリフト層の上部における上記ターミネーション領域の内側に、前記ターミネーション領域に隣接して形成した、第1の導電型のワイドギャップ半導体の第1の半導体
第1の半導体層の上に形成した、第2の導電型のカソード領域、
前記第1の半導体層の上における前記カソード領域の間に形成した第2の電極のゲート電極、
前記カソード領域の上に設けられると共に前記カソード領域と電気的にコンタクトを取るカソードコンタクト電極、
前記カソードコンタクト電極の上に、前記ターミネーション領域の内周縁から所定の離隔距離を保って形成されると共に、前記カソードコンタクト電極と電気的に接続された第3の電極のカソード電極、及び
前記ターミネーション領域と、前記カソードコンタクト電極, 前記カソード領域および前記第2の電極が形成された前記第1の半導体層の表面における前記カソード電極から露出した領域とを覆うように形成した表面保護膜
を有する高耐電圧半導体装置。
A high-impurity concentration first- conductivity-type wide-gap semiconductor substrate having an anode electrode of the first electrode on one surface;
A drift layer of a low-concentration second conductivity type wide gap semiconductor formed on the other surface of the substrate;
A termination region having at least one high impurity concentration region of the second conductivity type formed in an outer peripheral region in an upper portion of the drift layer;
The inside of the termination region, the formed adjacent the termination region, a first semiconductor layer of a wide-gap semiconductor of a first conductivity type in the upper portion of the drift layer,
Formed on the front Symbol first semiconductor layer, the cathode region of the second conductivity type,
The second electrode the gate electrode of which is formed between the cathode region definitive on the first semiconductor layer,
Wherein provided on the cathode region Rutotomoni, the cathode region and electrically cathode contact electrode making contact,
A cathode electrode of a third electrode formed on the cathode contact electrode at a predetermined distance from the inner periphery of the termination region and electrically connected to the cathode contact electrode, and the termination region And a surface protection film formed so as to cover the cathode contact electrode , the cathode region, and the region exposed from the cathode electrode on the surface of the first semiconductor layer on which the second electrode is formed. Voltage semiconductor device.
前記ターミネーション領域の内周縁と前記カソード電極との間の前記所定の離隔距離を、前記ターミネーション領域の外周縁と前記第3の電極との間の気中放電開始電圧が、前記カソード電極とアノード電極との間の降伏電圧より高くなるように選定したことを特徴とする請求項12記載の高耐電圧半導体装置。Said predetermined distance between the inner peripheral edge and the cathode electrode of said termination region, air discharge firing voltage between the outer peripheral edge and said third electrode of said termination region, wherein the cathode electrode and the anode that selected the to be higher than the breakdown voltage high withstand voltage semiconductor device according to claim 12, wherein between the electrodes. 前記気中放電開始電圧は、六フッ化硫黄ガス及び六フッ化硫黄ガスと窒素ガスの混合ガスのいずれか一方の雰囲気中の放電開始電圧であることを特徴とする請求項4、7、10、13のいずれか1つに記載の高耐電圧半導体装置。 Claim, characterized in that the aerial discharge starting voltage is any discharge starting voltage in one atmosphere of a mixed gas of sulfur hexafluoride gas and sulfur hexafluoride gas and nitrogen gas 4,7,10 , high withstand voltage semiconductor device according to any one of 13. 前記半導体装置を、六フッ化硫黄ガス及び六フッ化硫黄ガスと窒素ガスの混合ガスのいずれか一方のガスとを大気圧を超える圧力で封入したパッケージ内に収納したことを特徴とする請求項1、3、5、8、12のいずれか1つに記載の高耐電圧半導体装置。Wherein the semiconductor device, which houses the one of the gas of a mixed gas of sulfur hexafluoride gas及 beauty sulfur hexafluoride gas and nitrogen gas into a package which is sealed at a pressure above atmospheric pressure and a high withstand voltage semiconductor device according to any one of claims 1,3,5,8,12. 前記ターミネーション領域がメサ型であることを特徴とする請求項1、3、5、8、12のいずれか1つに記載の高耐電圧半導体装置。High withstand voltage semiconductor device according to any one of claims 1,3,5,8,12, wherein the termination region is a mesa. 前記ターミネーション領域がプレーナ型であることを特徴とする請求項1、3、5、8、12のいずれか1つに記載の高耐電圧半導体装置。High withstand voltage semiconductor device according to any one of claims 1,3,5,8,12, wherein the termination region is planar. 前記ターミネーション領域の内周縁と前記第3の電極との間の距離が、ターミネーション領域の幅の0.3倍以上であることを特徴とする請求項1、3、5、8、12のいずれか1つに記載の高耐電圧半導体装置。The distance between the inner peripheral edge of the termination region and the third electrode is 0.3 times or more the width of the termination region, any one of claims 1, 3, 5, 8, and 12 high withstand voltage semiconductor device according to one.
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