(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ダイであって、
半導体素子と、
半導体素子の周囲のエッジ終端領域におけるエッジ終端構造と、を備え、前記エッジ終端構造は、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域のエッジへ所望のドーズ分布に近似しており、
前記エッジ終端構造は、
前記エッジ終端領域内に少なくとも２つの同心の開始ゾーンを定義する１つ以上の負の段と、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの各ゾーンについて、前記所望のドーズ分布に応じて前記ゾーン内のドーズを変化させる、少なくとも２つの、ゾーンにおける負の特徴と、を備え、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの少なくとも１つのゾーンについて、前記少なくとも１つのゾーンにおける前記少なくとも２つの負の特徴が、幅が広がる少なくとも２つの溝を含み、それにより減少するドーズが、前記半導体素子の主接合のエッジから離れて前記エッジ終端領域のエッジに向かって横方向に移動する、半導体ダイ。
【請求項２】
前記所望のドーズ分布が、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域のエッジへ略直線的に減少するドーズである、請求項１に記載の半導体ダイ。
【請求項３】
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの少なくとも１つのゾーンについて、前記少なくとも１つのゾーンにおける少なくとも２つの負の特徴が、複数のくぼみを含む、請求項１に記載の半導体ダイ。
【請求項４】
半導体ダイであって、
半導体素子と、
半導体素子の周囲のエッジ終端領域におけるエッジ終端構造と、を備え、前記エッジ終端構造は、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域のエッジへ所望のドーズ分布に近似しており、
前記エッジ終端構造は、
前記エッジ終端領域内に少なくとも２つの同心の開始ゾーンを定義する１つ以上の負の段と、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの各ゾーンについて、前記所望のドーズ分布に応じて前記ゾーン内のドーズを変化させる、少なくとも２つの、ゾーンにおける負の特徴と、を備え、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの少なくとも１つのゾーンについて、前記少なくとも１つのゾーンにおける少なくとも２つの負の特徴が、幅が広がる少なくとも２つのくぼみリングを含み、それにより減少するドーズが、前記半導体素子の主接合のエッジから離れて前記エッジ終端領域のエッジに向かって横方向に移動する、半導体ダイ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのゾーンの各ゾーンについて、前記ゾーンにおける少なくとも２つのくぼみリングの各くぼみリング内のくぼみが、すべて同じ大きさであり、前記ゾーンにおける少なくとも２つのくぼみリングの各くぼみリング内のくぼみの数が、前記くぼみリングの幅の関数である、請求項４に記載の半導体ダイ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのゾーンの各ゾーンについて、前記ゾーンにおける少なくとも２つのくぼみリングの異なるリング内のくぼみが、様々なサイズのくぼみであり、前記少なくとも２つのくぼみリングの幅が広がるにつれて、前記くぼみのサイズが大きくなる、請求項４に記載の半導体ダイ。
【請求項７】
第１のドーピング型の第１層と、
第２のドーピング型の第２層と、をさらに含み、
前記半導体素子が、第２層に対向する第１層の表面上にある第１の接点と、第１層に対向する第２層の表面上にある第２の接点とを備え、前記エッジ終端構造が、第２層に形成される、請求項１に記載の半導体ダイ。
【請求項８】
前記半導体素子が、縦型デバイスである、請求項１に記載の半導体ダイ。
【請求項９】
前記半導体素子が、さらに、パワーデバイスである、請求項８に記載の半導体ダイ。
【請求項１０】
前記半導体素子が、サイリスタと、溝絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（溝ＩＧＢＴ）と、ＰｉＮダイオードと、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）と、溝ジャンクションバリアショットキー（ＪＢＳ）ダイオードとからなる群の１つである、請求項９に記載の半導体ダイ。
【請求項１１】
半導体ウエハの半導体ダイ領域に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体ダイ領域内のエッジ終端領域において前記半導体素子の周囲に、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域のエッジへ所望のドーズ分布に近似するようにエッジ終端構造を形成する工程と、を含み、
前記エッジ終端構造を形成する工程が、
前記エッジ終端領域内で少なくとも２つの同心の開始ゾーンを定義する前記エッジ終端領域において１つ以上の負の段を提供する工程と、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの各ゾーンについて、前記所望のドーズ分布に応じて前記ゾーン内のドーズを変化させる、少なくとも２つの、ゾーンにおける負の特徴を提供する工程と、を含み、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの少なくとも１つのゾーンについて、少なくとも１つのゾーンの中の前記少なくとも２つの負の特徴が、幅が広がる少なくとも２つの溝を含み、それにより減少するドーズが、前記半導体素子の主接合のエッジから離れて前記エッジ終端領域のエッジに向かって横方向に移動する、方法。
【請求項１２】
前記エッジ終端構造を形成する工程が、前記エッジ終端構造により近似される所望のドーズ分布が、任意の所望のドーズ分布であるように、前記エッジ終端構造を形成する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所望のドーズ分布が、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域のエッジへ略直線的に減少するドーズである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
半導体ウエハの半導体ダイ領域に半導体素子を形成する工程と、
前記半導体ダイ領域内のエッジ終端領域において前記半導体素子の周囲に、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域のエッジへ所望のドーズ分布に近似するようにエッジ終端構造を形成する工程と、を含み、
前記エッジ終端構造を形成する工程が、
前記エッジ終端領域内で少なくとも２つの同心の開始ゾーンを定義する前記エッジ終端領域において１つ以上の負の段を提供する工程と、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの各ゾーンについて、前記所望のドーズ分布に応じて前記ゾーン内のドーズを変化させる、少なくとも２つの、ゾーンにおける負の特徴を提供する工程と、を含み、
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの少なくとも１つのゾーンについて、前記少なくとも２つの負の特徴を提供する工程が、幅が広がる少なくとも２つのくぼみリングを形成する工程を含み、それにより減少するドーズが、前記半導体素子の主接合のエッジから離れて前記エッジ終端領域の端部に向かって横方向に移動する、方法。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの同心の開始ゾーンの少なくとも１つのゾーンについて、前記少なくとも２つの負の特徴を形成する工程が、前記くぼみリングの少なくとも１つに複数のくぼみを形成する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
半導体ダイであって、
半導体素子と、
前記半導体素子の周囲のエッジ終端領域にあるエッジ終端構造と、を備え、前記エッジ終端構造が、前記半導体素子の周囲に少なくとも２つのくぼみリングを有する少なくとも２つの負の特徴を備え、前記少なくとも２つのくぼみリングは広がる幅を有し、これにより減少するドーズが前記エッジ終端領域に向かって横方向に移動する、半導体ダイ。
【請求項１７】
前記くぼみの広がる幅が、前記半導体素子の主接合のエッジから前記エッジ終端領域の前記エッジへ所望のドーズ分布に近似する、請求項１６に記載の半導体ダイ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［政府支援］
本発明は、陸軍によって受注された契約番号Ｗ９１１ＮＦ−１０−２−００３８に従い、政府の資金で行われたものである。米国政府は、本発明の権利を有することができる。
【０００２】
［開示分野］
本開示は、高電圧半導体パワーデバイスのエッジ終端に関する。
［背景］
シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、その絶縁破壊電界の高さ、熱伝導性の高さ、およびバンドギャップの広さにより、高電力および高温半導体素子にとって望ましい材料である。しかしながら、高電圧装置で高い絶縁破壊電界を利用するためには、効率的なエッジ終端が必要である。具体的には、デバイスのエッジでの電界集中はデバイスのエッジでの素子絶縁破壊を引き起こし、ひいては、デバイスの阻止電圧を、理想的な阻止電圧（すなわち、理想的な平行平面デバイスの阻止電圧）よりかなり低くする。
【０００３】
電界集中は、従来、イオン注入またはエッチングされた接合終端拡張（ＪＴＥ）を利用して対処されてきた。より具体的には、ＪＴＥは、半導体素子の主接合よりも軽いドーピングをなされた薄いイオン注入またはエッチングされた領域を含み、ＪＴＥのドーピング型は、半導体素子のドリフト層のドーピング型と反対である。３つのエッチングされた段を含む典型的なエッチングされたＪＴＥを図１に示す。エッチングされた段は、半導体素子の主接合から対応するエッジ終端領域のエッジへ、対応するＰ型層のドーズ（すなわち、高さ寸法を乗じたドーピング濃度）を次第に減少させる。これにより、エッジ終端領域のエッジに向かって総電界の減少が起きる。しかしながら、エッチングされた段により、総電界の横方向、すなわちｘ、成分中に、ピークが存在する。これらのピークは、半導体素子の表面に形成された誘電体と包装材料に大きな圧力をかけるため、半導体素子の故障につながることがある。したがって、エッジ終端構造を改良する必要性がある。
【０００４】
［概要］
半導体ダイ上に実装された半導体素子と半導体素子の周囲にあるエッジ終端構造とを備える半導体ダイおよびその製造方法の実施形態が開示されている。一実施形態では、半導体ダイは、半導体素子と半導体素子の周囲にあるエッジ終端構造とを備え、エッジ終端構造は、対応するエッジ終端領域でドーズを変化させて所望のドーズ分布に近似させる負の特徴（例えば、溝および／またはくぼみ）を含む。一実施形態では、所望のドーズ分布は、半導体素子の主接合のエッジからエッジ終端領域のエッジへ、実質的に減少または略直線的に減少するドーズである。このように、半導体素子の主接合のエッジでの電界集中は実質的に減少し、ひいては、半導体素子の絶縁破壊電圧を実質的に向上させる。
【０００５】
一実施形態では、エッジ終端構造は、半導体素子の周囲に２つ以上の同心の開始ゾーンを定義する１つ以上の負の段を含む。各開始ゾーン内で、エッジ終端構造は、所望のドーズ分布に従って開始ゾーンにおけるドーズを変化させる複数の負の特徴（例えば、溝および／またはくぼみ）を含む。一実施形態では、各開始ゾーン内で、開始ゾーンにおける負の特徴は、ドーズが開始ゾーン内で略直線的に減少するように幅が大きくなる複数の同心の溝を含む。別の実施形態では、各開始ゾーン内で、開始ゾーンにおける負の特徴は、開始ゾーン内でドーズを略直線的に減少させる複数の同心円状のくぼみを含む。
【０００６】
別の実施形態では、エッジ終端構造は、エッジ終端領域における半導体素子の周囲に複数のくぼみリングを含む。一実施形態では、くぼみリングの幅は、半導体素子の主接合のエッジからエッジ終端領域のエッジへ所望のドーズ分布を提供する幅に変化する。
【０００７】
当業者は、本開示の範囲を理解し、添付の図面に関連する好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後、そのさらなる態様を認識するであろう。
本明細書に組み込まれるとともにその一部を形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を例示し、その説明と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来のエッジ終端構造、すなわち、エッチングされた接合終端拡張（ＪＴＥ）を示す。
【図２】図２Ａ，２Ｂは、本開示の一実施形態によるエッジ終端構造についての所望のドーズ分布と、対応する電界分布とを示したものである。
【図３】図２Ａの所望のドーズ分布、ひいては図２Ｂの所望の電界分布に近似する最先端の段のある負のベベルエッジ終端を示す。
【図４】半導体素子の周囲の対応するエッジ終端領域内の複数の同心の開始ゾーンを定義する複数の負の段を含む半導体素子のためのエッジ終端構造を示しており、エッジ終端構造が、各開始ゾーンに、本開示の一実施形態による半導体素子の主接合のエッジおよびエッジ終端領域のエッジからの所望のドーズ分布に近似させる負の特徴を含む。
【図５Ａ】図１の従来の３つの段がエッチングされたエッジ終端構造、図３の最先端の段のある負のベベルエッジ終端構造、本開示の一実施形態による図４のエッジ終端構造、のための半導体素子のエッジ終端領域における電界の一例をグラフで示したものである。
【図５Ｂ】図１の従来の３つの段がエッチングされたエッジ終端構造、図３の最先端の段のある負のベベルエッジ終端構造、本開示の一実施形態による図４のエッジ終端構造、のための半導体素子のエッジ終端領域における電界の一例をグラフで示したものである。
【図５Ｃ】図１の従来の３つの段がエッチングされたエッジ終端構造、図３の最先端の段のある負のベベルエッジ終端構造、本開示の一実施形態による図４のエッジ終端構造、のための半導体素子のエッジ終端領域における電界の一例をグラフで示したものである。
【図６】本開示の一実施形態に係る半導体素子および半導体素子の周囲に図４のエッジ終端構造を含む半導体ダイを示しており、エッジ終端領域の各ゾーンに含まれている負の特徴は、溝である。
【図７】本開示の一実施形態に係る半導体素子および半導体素子の周囲に図４のエッジ終端構造を含む半導体ダイを示しており、エッジ終端領域の各ゾーンに含まれている負の特徴は、くぼみである。
【図８】半導体素子および対応するエッジ終端構造が本開示の一実施形態に従って製造された半導体ウエハを示す。
【図９Ａ】本開示の一実施形態による、図８の半導体ウエハの半導体ダイ領域の１つにおいて、半導体素子および半導体素子の周囲のエッジ終端構造を製造する処理を図示したものである。
【図９Ｂ】本開示の一実施形態による、図８の半導体ウエハの半導体ダイ領域の１つにおいて、半導体素子および半導体素子の周囲のエッジ終端構造を製造する処理を図示したものである。
【図９Ｃ】本開示の一実施形態による、図８の半導体ウエハの半導体ダイ領域の１つにおいて、半導体素子および半導体素子の周囲のエッジ終端構造を製造する処理を図示したものである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［詳細な説明］
以下に記載する実施形態は、当業者が実施形態を実施するのを可能にするために必要な情報を提示し、実施形態を実施する最良の形態を説明する。添付の図面に照らして以下の説明を読めば、当業者は、本開示の概念を理解し、特に本明細書中で扱われていないこれらの概念の応用を認識するであろう。これらの概念および応用は、本開示および添付の特許請求の範囲内に含まれることが理解されるべきである。
【００１０】
第１、第２などの用語は、様々な要素を説明するために本明細書中で使用することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するために使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１要素は第２要素と呼ぶことができ、同様に、第２要素は、第１要素と呼ぶことができる。本明細書において、用語「および／または」は、１つ以上の列挙された関連項目の任意および全ての組み合わせを含む。
【００１１】
層、領域、または基板などの要素が、別の要素の「上に」存在するまたは「上に」延在するものとして言及される場合、その要素は、他の要素の上に直接存在するまたは要素上に直接に延在することができる、あるいは介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、ある要素が、別の要素の「上に直接」存在するまたは「上に直接」延在するものとして言及される場合、介在する要素は存在しない。同様に、そのような層、領域、または基板などの要素が、別の要素の「上方に」存在するまたは「上方に」延在するものとして言及される場合、その要素は、他の要素の上方に直接存在するまたは上方に直接延在することができる、あるいは介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、ある要素が、別の要素の「上方に直接」存在するまたは「上方に直接」延在するものとして言及される場合、介在する要素は存在しない。また、ある要素が、別の要素に「接続され」るまたは「結合され」るものとして言及される場合、その要素は、他の要素に直接接続されるまたは結合されることができる、あるいは介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、ある要素が、別の要素に「直接接続され」るまたは「直接結合され」るものとして言及される場合、介在する要素は存在しない。
【００１２】
「下」または「上」または「上部」または「下部」または「水平」または「垂直」のような相対的な用語は、図に示すように、ある要素、層または領域の、別の要素、層、または領域に対する関係を説明するために使用されることができる。これらの用語および上述の用語は、図に示された方位に加えて、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解されるであろう。
【００１３】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、その開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、本明細書で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、記載の特徴、整数、段、動作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、段、動作、要素、構成要素、および／またはそのグループの存在または追加を排除するものではないことが理解されるであろう。
【００１４】
特に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって共通に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、本明細書中で使用される用語は、明示的にそのように本明細書に定義されない限り、本明細書の文脈および関連技術における用語の意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、理想化されたまたは過度に形式的な意味に解釈されないことが理解されるであろう。
【００１５】
半導体ダイ上に実装された半導体素子と半導体素子の周囲にあるエッジ終端構造とを有する半導体ダイおよびその製造方法の実施形態が開示されている。一実施形態では、半導体ダイは、半導体素子と半導体素子の周囲にあるエッジ終端構造とを有し、エッジ終端構造は、対応するエッジ終端領域でドーズを変化させて所望のドーズ分布に近似させる負の特徴（例えば、溝および／またはくぼみ）を含む。一実施形態では、所望のドーズ分布は、半導体素子の主接合のエッジからエッジ終端領域のエッジへ、実質的に減少または略直線的に減少するドーズである。このように、半導体素子の主接合のエッジでの電界集中は、実質的に減少し、ひいては、半導体素子の絶縁破壊電圧を実質的に向上させる。
【００１６】
本開示のエッジ終端構造の実施例を説明する前に、好ましいドーズ分布および対応する電界分布の一例の説明、ならびに好適なドーズ分布に近似する最先端のエッジ終端構造の説明を提供する。この点に関し、図２Ａは、半導体素子の主接合のエッジでの電界集中を減少させる好適なドーズ分布の一例を示す。図に示すように、好適なドーズ分布は、主接合のエッジからエッジ終端構造のエッジに向かって（すなわち、対応するエッジ終端領域のエッジへ）略直線的に減少する。破線で示すように、いくつかの実装形態では、実際の好ましいドーズ分布が完全に線形ではない場合、好ましいドーズ分布は、直線的に減少するドーズ分布に近似される。この例では、好ましいドーズ分布は、非線形の尾部を有し、例えば、対称的なブロック構造に使用されるような、高濃度にドープされたドリフト領域の使用により生じる半導体素子のドリフト領域で２Ｄ効果を補償するのに望ましい場合がある。
【００１７】
図２Ａの所望のドーズ分布は、一例に過ぎないことに留意されたい。本明細書に開示されたエッジ終端構造の実施形態およびその製造方法を利用して、任意の所望のドーズ分布を提供することができる。所望のドーズ分布は、減少または実質的に減少するドーズ分布であることが好ましいが、これに限定されない。また、実質的に減少するドーズ分布のいくつかの非限定的な例は、大きさが減少していく正弦波形状であるドーズ分布、１つ以上の隆起（例えば、終端領域のエッジにおける大きさの隆起）を備えた直線的に減少するドーズ分布、あるいは、負の傾き（例えば、ｘが主接合からエッジ終端領域のエッジに向かう距離を表す場合、所望のドーズ分布は、ｘ?０の場合、−ｘ３に等しい）を有する曲線である。
【００１８】
電界を支配する方程式は、ポアソン方程式であり、次のとおりである。
【００１９】
【数１】
0006367943.tif 000002
【００２０】
この場合、ρは、自由電荷の体積密度であり（座標空間の関数であってもよい）、εは、媒体の誘電率である。半導体分析のために、ポアソン方程式は次のように書くことができる。
【００２１】
【数２】
0006367943.tif 000003
【００２２】
この場合、
【００２３】
【数３】
0006367943.tif 000004
【００２４】
ＫＳは、半導体の誘電率であり、ε０は、自由空間の誘電率である（ＫＳε０＝ε）。式（２）および（３）から、電界集中は、半導体素子の主接合のエッジ付近のドーズ（すなわち、ドーピング濃度×高さ）を減少させることによって低減できることがわかる。
【００２５】
図２Ａの好ましいドーズ分布から生じる電界集中の減少を説明するために、図２Ｂは、図２Ａの好ましいドーズ分布を提供するエッジ終端構造を有する半導体素子の一例に対応する電界分布を示す。図に示すように、逆バイアスの下で、電界の縦方向、すなわちｙ、成分（Ｅｙ）は、好ましいドーズ分布に従って主接合からの距離の増加とともに直線的に減少する。その結果、半導体素子の主接合のエッジでの電界集中は、エッジ終端構造を持たない同一の半導体素子に比べて低減される。また、電界の横方向、すなわちｘ、成分（Ｅｘ）は、比較的小さい、または、言い換えると、電界の横方向成分（Ｅｘ）が、効果的に終端領域に広がっている。
【００２６】
図３は、半導体素子１０と、対応するエッジ終端領域１４における半導体素子１０の周囲に形成された略直線的に減少するドーズ分布に近似する最先端のエッジ終端構造１２（以下、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２と称する）とを示す。シリコンカーバイド（ＳｉＣ）において滑らかな勾配をエッチングすることは困難なため、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、ＳｉＣ半導体素子に特に有益である。この例では、半導体素子１０がＰｉＮダイオードであり、高濃度にドープされたＮ型（Ｎ＋）基板１６と、基板１６上に低濃度にドープされたＮ型（Ｎ−）ドリフト領域１８と、基板１６の反対側のドリフト領域１８上の、複段の負のベベルエッジ終端構造１２が形成されるＰ型層２０と、ドリフト領域１８の反対側のＰ型層２０上の非常に高濃度にドープされたＰ型（Ｐ＋＋）陽極領域２２とを含む。半導体素子１０はまた、Ｐ型層２０の反対側の陽極領域２２に陽極接点２４と、ドリフト領域１８の反対側の基板１６の裏面上に陰極接点２６とを含む。
【００２７】
複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、滑らかな傾斜に近似する。具体的には、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、複数の段、すなわち、より具体的には、エッジ終端領域１４における対応するゾーン（ゾーン１からゾーン７）を定義する負の段を含む。７つのゾーンは、この例に示されているが、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、対応する数の負の段によって作成された任意の数のゾーンを含むことができる。しかし、負の段数は、３より大きいことが好ましく、実質的に３より大きいことがさらにより好ましい。本明細書で使用する場合、用語「負の段」は、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２の段が下向きまたはＰ型層２０に進むことを明確に示すために使用される。複数段の負のベベルエッジ終端構造１２に関する詳細について、興味のある読者は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「負のベベルによって終端される高ブロッキング電圧を備えたＳＩＣデバイス（ＳＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＷＩＴＨ  ＨＩＧＨ  ＢＬＯＣＫＩＮＧ  ＶＯＬＴＡＧＥ  ＴＥＲＭＩＮＡＴＥＤ  ＢＹ  Ａ  ＮＥＧＡＴＩＶＥ  ＢＥＶＥＬ）」と題する、米国特許出願公開第２０１２／０２９２６３６号を参照されたい。複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、エッジ終端領域１４におけるＰ型層２０のドーズを効果的に減少させ、ドーズ分布を図２Ａの好適なドーズ分布に近似させる。そうすることで、主接合２８のエッジにおける電界集中を実質的に減少させ、結果として、半導体素子１０の耐圧を大幅に増加させる。また、小さな段サイズ（すなわち、エッチング深さに対応する段の高さ）の負の段が複数あるので、従来の３つの段のエッジ終端構造内に存在する電界の横方向、すなわちｘ成分のピークは、除去されないとしても低減される。
【００２８】
複数段の負のベベルエッジ終端構造１２の１つの問題は、負の段が、複数のエッチングマスク（すなわち、複数のエッチング段）と、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２において負の段を作成するために使用されるエッチング深さ（ｔｚ）の正確な制御を必要とすることである。複数のエッチングマスクを必要とすることに加えて、所定の厚さのＰ型層２０のために段数が増加すると、エッチング深さ（ｔｚ）の必要な正確さと精度を達成することが困難となる。以下に説明するように、本明細書に開示されたエッジ終端構造は、非常に柔軟であり、一実施形態では、より少ない段を用いて複数段の負のベベルエッジ終端構造１２に類似する性能を提供しながら、エッチング深さ（ｔｚ）の正確さおよび精度の要件も緩和する。
【００２９】
この点に関し、図４は、本開示の一実施形態による、対応する終端領域３４における半導体素子３０と半導体素子３０の周囲のエッジ終端構造３２とを示す。この例では、半導体素子３０は、ＰｉＮダイオードであり、Ｎ＋基板３６と、基板３６上のＮ−ドリフト領域３８と、基板３６の反対側のドリフト領域３８上の、エッジ終端構造３２が形成されるＰ型層４０と、ドリフト領域３８の反対側のＰ型層４０上にＰ＋＋陽極領域４２とを含む。本明細書中で使用される場合、低濃度にドープされた層／領域（例えば、Ｎ−ドリフト領域３８）は、１×１０１３〜１×１０１６ｃｍ−３の（あるいはそれより小さい）範囲のドーピング濃度を持つ層／領域であり、高濃度にドープされた層／領域（例えば、Ｎ＋基板３６）は、５×１０１７×１０２０〜１ｃｍ−３の範囲のドーピング濃度を持つ層／領域であり、非常に高濃度にドープされた層／領域（例えば、Ｐ＋＋陽極領域４２）は、範囲が５×１０１７ｃｍ−３よりも大きなドーピング濃度を持つ層／領域である。半導体素子３０はまた、Ｐ型層４０の反対側の陽極領域４２上における陽極接点４４と、ドリフト領域３８の反対側の基板３６の裏面上における陰極接点４６とを含む。
【００３０】
図４のＰｉＮダイオードは、エッジ終端構造３２が使用可能な半導体素子の一例に過ぎないことに留意されたい。エッジ終端構造３２は、任意の適切な半導体素子で使用することができる。半導体素子３０が、縦型半導体素子であることが好ましく、垂直高電圧パワー半導体素子であることがより好ましく、垂直高電圧パワーＳｉＣ半導体素子であることがさらに好ましい。本明細書で使用される場合、高電圧パワー半導体素子は、３キロボルト（ｋＶ）以上、または２０ｋＶを超える逆方向絶縁破壊電圧を有する半導体素子である。例えば、半導体素子３０は、任意のタイプのパワー半導体素子であってもよく、特に、サイリスタ（例えば、ゲートターンオンサイリスタ（ＧＴＯ）、または金属酸化物半導体ターンオフサイリスタ（ＭＴＯ））、溝絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＰｉＮダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、および溝接合バリアショットキー（ＪＢＳ）ダイオードなどのメサ構造を組み込んだものであってもよい。また、エッジ終端構造３２は、エッジ終端構造３２が半導体素子のドリフト領域の反対側にあるドーピング型を有する層内に形成された、Ｎ型またはＰ型のいずれかの半導体素子に使用することができる。
【００３１】
本実施形態では、エッジ終端構造３２は、負の段（「開始ゾーン」と呼ぶ）によって作成されたゾーン内で、負の段および負の特徴（例えば、溝および／またはくぼみ）の組み合わせを使用して、半導体素子３０の主接合４８のエッジからエッジ終端領域３４のエッジに所望のドーズ分布を近似させ、所望のドーズ分布に応じて、エッジ終端領域３４におけるＰ型層４０の有効ドーズを変化させる。本明細書ではドーズが使用されるが、エッジ終端構造３２は、同様に電荷を変化させ、所望のドーズ分布に実質的に対応する所望の電荷分布を得ることが理解されるべきであることに留意されたい。具体的には、エッジ終端構造３２は、半導体素子３０の周囲のＰ型層４０に形成された複数の負の段を含む。負の段が、半導体素子３０の周囲のエッジ終端領域３４内の同心の開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）を定義する。負の段は、所望のエッチング深さ（ｔｚ）に対応する高さを有する。この例では、エッチング深さは、開始ゾーンのすべて（開始ゾーン１から開始ゾーン３）について同じであるが、所望であれば、異なるエッチング深さを負の段について使用することができる。さらに、この例では、３つの開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）と対応する数の負の段とがあるが、任意の負の段数と対応する開始ゾーンとが存在し得ることが理解されるべきである。一実施形態では、少なくとも２つの開始ゾーンを定義する少なくとも１つの負の段がある。しかし、別の実施形態では、負の段が存在しない（すなわち、一実施形態では、エッジ終端領域３４全体に対応する１つの開始ゾーンがあるのみである）。
【００３２】
開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）は、対応する幅を有している（ＷＳＺ）。この例では、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）の各々は、同じ幅を有している（ＷＳＺ）。しかし、ある代替実施形態において、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）の幅（ＷＳＺ）は変化する。例えば、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）の少なくとも２つは異なる幅（ＷＳＺ）を有していてもよい。したがって、一般的には、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）の各々は、任意の所望の幅（ＷＳＺ）を有することができる。
【００３３】
開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）の各々の中で、この例では溝５０である負の特徴が、半導体素子３０の周囲に同心円状のリングを形成する。以下に説明されるように、本実施形態では溝５０が示されているが、任意のタイプの負の特徴を使用することができる。本明細書で使用される場合、負の特徴は、溝またはくぼみのような任意のタイプのエッチングされた特徴であるが、これらに限定されない。さらに、溝は、連続する切れ目である。対照的に、くぼみは、所望の形状（例えば、円形のくぼみ、正方形くぼみ等）を有する半導体材料の表面にエッチングされた穴である。溝５０はまた、本明細書では、半導体素子３０の周囲の溝リングとして参照されることもある。溝５０は、対応するリングゾーン（ＲＺ）を定義し、各リングゾーン（ＲＺ）は、対応する溝５０の開始端から次の溝５０の開始端までのゾーンとして定義されている。開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）のそれぞれは、この例では５つのリングゾーン（ＲＺ１〜ＲＺ５）を含んでいるが、各開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）内に、２つ以上の任意の数のリングゾーン（ＲＺ）が存在してもよい。さらに、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）は、同一または異なる数のリングゾーン（ＲＺ）を有することができる。リングゾーン（ＲＺ）の幅（ＷＲＺ）は、必須ではないが同じであることが好ましい。
【００３４】
溝５０の幅は、Ｐ型層４０のドーズ、または有効ドーズを、所望のドーズ分布に応じて変化させるように、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）のそれぞれのリングゾーン（ＲＺ）内で変化する。溝５０の幅は、エッチング処理の解像度によって課される下限から所望のドーズ分布に応じた対応する開始ゾーンの幅（ＷＳＺ）まで変化させることができる。本実施形態では、所望のドーズ分布は、半導体素子３０の主接合４８のエッジからエッジ終端領域３４のエッジへ直線的に、または略直線的に減少するドーズである。このように、まず第１の開始ゾーン（開始ゾーン１）を見ると、リングゾーン１（ＲＺ１）における溝５０の幅は、リングゾーン２（ＲＺ２）における溝５０の幅よりも小さく、リングゾーン２（ＲＺ２）における溝５０の幅は、リングゾーン３（ＲＺ３）における溝５０の幅よりも小さい、等々。その結果、リングゾーン１（ＲＺ１）におけるＰ型層４０のドーズは、リングゾーン２（ＲＺ２）におけるＰ型層４０のドーズよりも大きく、リングゾーン２（ＲＺ２）におけるＰ型層４０のドーズは、リングゾーン３（ＲＺ３）におけるＰ型層４０のドーズよりも大きい、等々。このように、Ｐ型層４０のドーズは第１の開始ゾーン（開始ゾーン１）全体にわたって減少する。
【００３５】
第２の開始ゾーン（開始ゾーン２）を見ると、第１の開始ゾーン（開始ゾーン１）と第２の開始ゾーン（開始ゾーン２）との間の負の段は、第１の開始ゾーン（開始ゾーン１）のドーズと比較して第２の開始ゾーン（開始ゾーン２）におけるＰ型層４０のドーズを減少させる。このように、直線的に減少するまたは略直線的に減少するドーズ分布を維持するために、第２の開始ゾーン（開始ゾーン２）における第１の溝５０の幅は、第１の開始ゾーン（開始ゾーン１）における最後の溝５０の幅よりも小さい。第２の開始ゾーン（開始ゾーン２）における溝５０の幅は、第２の開始ゾーン（開始ゾーン２）全体にわたって再び増加し、ドーズは直線的に減少または略直線的に減少し続ける。残りの開始ゾーン（開始ゾーン３）における溝５０の幅は、同様に選択される。したがって、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）における溝５０の幅は、所望の直線的に減少または略直線的に減少するドーズ分布に近似させるように選択または設計されている。図４の実施形態における所望のドーズ分布は、直線的に減少または略直線的に減少するドーズであるが、エッジ終端構造３２は、これに限定されるものではない。溝５０の幅は、任意の所望のドーズ分布を提供するように変化させることができる。
【００３６】
エッジ終端構造３２は、図３の複数段の負のベベルエッジ終端構造１２に比べ、複数の利点を提供する。任意の特定の利点によって限定されるものではないが、いくつかの例を提供する。第１の例として、エッジ終端構造３２は、負の段を形成するのに必要なエッチングマスクに加えて、単一のエッチングマスクを用いて形成することができる。別の例として、溝５０のエッチング深さ、または他の負の特徴を、エッジ終端構造３２の開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）において、複数の負の段（例えば、より大きなエッチング深さを使用することができる）を有する複数段の負のベベルエッジ終端構造１２におけるものほど、正確かつ精密に制御する必要はない。さらに別の例として、エッジ終端構造３２は、現在のフォトリソグラフィ技術によって提供される高分解能を利用して、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）に溝５０（または他の負の特徴）を形成する。別の例として、エッジ終端構造３２によって提供される、ドーズ分布、または対応する電荷分布は、処理の複雑さまたは処理工程を増加させることなく、フォトリソグラフィ装置によってのみ限定される任意の解像度に対して線形にすることができる。これは、解像度を高めるために（すなわち、エッチング段の数を増やし、各段のエッチング深さを減少させるために）追加のエッチング段と、エッチング深さの追加の制御とを必要とする複数段の負のベベルエッジ終端構造１２とは対照的である。
【００３７】
図５Ａ〜５Ｃは、図１の従来のエッチング接合終端拡張（ＪＴＥ）の一例、図３の複数段の負のベベルエッジ終端構造１２の一例、図４のエッジ終端構造３２の一例、のための電界（Ｅ）の横方向、すなわちｘ、成分、及び縦方向、すなわちｙ、成分をそれぞれグラフで示す。図５Ａに示すように、図１の３つの段がエッチングされたＪＴＥのための電界の縦方向、すなわちｙ、成分（Ｅｙ）は、実質的に３段ＪＴＥの形状に追従する分布を有する。結果として、半導体素子の主接合付近のかなりの量の電界集中が依然として存在する（すなわち、主接合のエッジ付近のＥｙの大きさが大きい）。また、負の段の位置でのドーズの急激な変化により、電界集中のように、望ましくない電界の横方向、すなわちｘ、成分（Ｅｘ）において対応するピークが生じる。
【００３８】
対照的に、図５Ｂに示すように、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、直線的に減少するドーズ分布にかなり近似し、ひいては、電界の縦方向、すなわちｙ、成分（Ｅｙ）を略直線的に減少させる。このように、主接合２８のエッジでの電界集中が実質的に低減される。また、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２は、図１の３段ＪＴＥで見つけられるドーズの大きな変化を含まないため、電界の横方向、すなわちｘ、成分（Ｅｘ）はピークを含まない、換言すれば、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２により、エッジ終端領域１４上の電界の横方向、すなわちｘ、成分（Ｅｘ）が、うまく横方向へ広がる。
【００３９】
図５Ｃに示すように、図４のエッジ終端構造３２は、略直線的に減少する複数段の負のベベルエッジ終端構造１２と同様に機能する。具体的には、エッジ終端構造３２は、ドーズ分布をほぼ直線的に減少させ（または、より正確には、直線的に減少または略直線的に減少するドーズ分布にかなり近似させる）、ひいては、電界の縦方向、すなわちｙ、成分（Ｅｙ）を略直線的に減少させる。このように、主接合４８のエッジでの電界集中が実質的に低減する。また、エッジ終端構造３２は、図１の３段ＪＴＥで見つかったドーズの大きな変化を含まないため、電界の横方向、すなわちｘ、成分（Ｅｘ）はピークを含まない、換言すれば、複数段の負のベベルエッジ終端構造１２により、エッジ終端領域３４上の電界の横方向、すなわちｘ、成分（Ｅｘ）が、うまく横方向へ広がる。
【００４０】
図６は、本開示の一実施形態に係る図４の半導体素子３０とエッジ終端構造３２とを含む半導体ダイ５２の上面図である。図に示すように、エッジ終端構造３２は、半導体素子３０の周囲に延在する。上述したように、終端構造３２は、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）のそれぞれのリングゾーン（ＲＺ）に溝５０を備える。
【００４１】
上述したように、エッジ終端構造３２は、溝５０を使用することに限定されるものではなく、任意のタイプのまたは任意のタイプの組合せの負の特徴（例えば、溝および／またはくぼみ）を使用することができる。この点に関し、図７は、半導体素子３０と、溝５０がくぼみリング５６で置換された代替的な実施形態のエッジ終端構造３２とを含む半導体ダイ５４の上面図である。この例では、開始ゾーンごとに３つのくぼみリング５６がある。しかしながら、開始ゾーンごとに１つ以上、または好ましくは２つ以上の任意の数のくぼみリング５６があってもよい。各くぼみリング５６は、対応するリングゾーン（ＲＺ）内の半導体素子３０の周囲にくぼみのリングを形成する複数のくぼみを含む。くぼみリング５６の幅は、所望のドーズ分布を提供するように変化させられる。くぼみリング５６の幅を変化させることに加えて、またはその代替として、くぼみリング５６におけるくぼみの幅および／またはくぼみリング５６におけるくぼみの濃度は、所望のドーズ分布を提供するように変化させることができる。くぼみリング５６を形成するために使用されるくぼみは、任意の所望の形状（例えば、円形、正方形、長方形、三角形、等）であり得る。また、一実施形態では、くぼみリング５６におけるくぼみはすべて同じサイズである。別の実施形態では、くぼみリング５６におけるくぼみは、異なるサイズを有することができる。例えば、リング幅がより大きなくぼみリング５６におけるくぼみは、リング幅がより小さなくぼみリング５６におけるくぼみより大きくてもよい。
【００４２】
図８および９Ａ〜９Ｃは、本開示の一実施形態に係る半導体素子３０とエッジ終端構造３２とを含む半導体ダイを製造するための処理を図示する。具体的に、図８は、処理され、ダイシングされて、図６の複数の半導体ダイ５２を提供する半導体ウエハ５８を示す。しかし、半導体ウエハ５８は、代わりに、処理され、ダイシングされて、図７の複数の半導体ダイ５４を提供してもよい。ダイシング後の半導体ダイ５２に対応する半導体ウエハ５８の領域は、本明細書では、半導体ダイ領域と称される。
【００４３】
図９Ａ〜９Ｃは、本開示の一実施形態による半導体ダイ５２の１つに関する半導体ウエハ５８の処理を示す。より具体的には、図９Ａ〜９Ｃは、半導体ウエハ５８の対応する半導体ダイ領域内に、半導体素子３０と半導体素子３０の周囲のエッジ終端構造３２とを形成するための半導体ウエハ５８の処理を示す。まず、図９Ａに示すように、半導体素子３０は、適切な処理工程を用いて形成される。次に、図９Ｂに示すように、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）を定義する負の段は、エッジ終端領域３４のＰ型層４０の表面にエッチングされる。最終的に、図９Ｃに示すように、溝５０が、開始ゾーン（開始ゾーン１から開始ゾーン３）のそれぞれにおけるリングゾーン（ＲＺ）のＰ型層４０内にエッチングされる。
【００４４】
最後に、本明細書に開示された実施形態は、エッジ終端領域３４の開始ゾーンに負の特徴（すなわち、溝および／またはくぼみ）を利用する一方で、本発明はこれに限定されない。ある代替的な実施形態では、１つ以上の、そしておそらくすべての開始ゾーンにおける負の特徴が、インプラント領域で置換される。別の代替実施形態では、インプラント領域は、１つ以上の、そしておそらくすべての開始ゾーンで負の特徴に加えて使用されることができる。
【００４５】
当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改良および修正を認識するであろう。すべてのそのような改良および変更は、本明細書に開示された概念および添付の特許請求の範囲の範囲内であると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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