JP6259931B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1Aは、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面(上面)図である。
LE:基点となるベース領域の角部から電界緩和領域端部までの長さ
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
LJ2:基点となるベース領域の角部と第2近接となる他のセル角部の間の距離
図1Bに示すように、LEがLJ2−LJ1よりも長ければ、電界緩和領域と隣接するベース領域角部間の距離がセル間の距離よりも短くなるため、効果的にゲート絶縁膜に掛かる電界を緩和することが出来る。なお、図1Bでは、便宜的にLJ1、LJ2は電界緩和領域の基点となる角部以外で示しているが、セルが周期的に配列されていることを前提とすれば、この部分で測定した距離でも同じ値となる(図3でも同様)。
次に上記SiC−MOSFETの製造方法について説明する。
図3は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
ベース領域10において表層にそのベース領域10に囲まれるように形成されるn+型のソース領域20と、ベース領域10において表層にそのベース領域10に囲まれるように、且つソース領域20以外の領域に形成されるベース領域10よりも高不純物濃度のp+型のベースコンタクト領域11を有する。p+型のベースコンタクト領域11とは、ベース領域10に電気的な接続を取るための領域である。
LE:基点となるベース領域の角部から電界緩和領域端部までの長さ
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の長さ
[半導体装置の製造方法]
図4は実施の形態2における半導体装置の製造方法において、特に実施の形態1と異なる部分を示す図である。実施の形態2では、電界緩和領域60形成時の断面図が図4Aとなり、完成時の断面図が4Bとなる以外、図1〜図2で示した実施の形態1記載の半導体装置と同様である。
図5は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離(図1Bに示したものと同様である)
また、p型の電界緩和領域のドリフト領域に囲まれる領域の形状は、角が存在すると角部に電界集中が生じ耐圧が問題となるため、角の曲率を大きくすると良い。本実施例では、十字形状の交差部分の角部にアールをつける等するとよい。
図6は実施の形態3における半導体装置の製造方法において、実施の形態1と異なる部分を示す図である。実施の形態3では、電界緩和領域60形成時の断面図が図6Aとなり、完成時の断面図が6Bとなる以外、図1〜図2で示した実施の形態1記載の半導体装置と同様である。
図8は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離(図1Bに示したものと同様である)
実施の形態4における半導体装置は実施の形態3記載の半導体装置と同様に製造することができる。
図9は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の長さ(図1Bに示したものと同様である)
上記第1近接となる角部2点は、アップステップ側の2点を選択する方が良い。ダウンステップ側の2点では、p型の電界緩和領域の占める面積が、アップステップ側の面積よりも大きくなり、チャネル領域への影響が増加し、オン抵抗が増加してしまうためである。
実施の形態5における半導体装置の製造方法は実施の形態1記載の半導体装置と同様である。
2 ドリフト層
10 ベース領域
11 ベースコンタクト領域
20 ソース領域
21 ドレイン領域
30 マスク
32 ゲート絶縁膜
33 層間膜
40 ゲート材料膜
41 ソースベースコンタクト共通電極
42 ドレインコンタクト電極
51 ソースベース共通コンタクト
52 ドレインコンタクト
301 負荷
302 パワーモジュール
303 制御回路
304 SiC-MOSFET
305 ダイオード
306〜312 端子
401 負荷
402 パワーモジュール
403 制御回路
404 SiC-MOSFET
405〜411 端子
501a 駆動輪
501b 駆動輪
502 駆動軸
503 3相モータ
504 インバータ
505 バッテリ
506 電力ライン
507 電力ライン
508 昇圧コンバータ
509 リレー
510 電子制御ユニット
511 リアクトル
512 平滑用コンデンサ
513 インバータ
514 SiC-MOSFET
601 負荷
602 インバータ
607 コンバータ
608 キャパシタ
609 トランス
OW 架線
PG パンタグラフ
RT 線路
WH 車輪
Claims (14)
- 第1導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備え、
前記単位セルの其々は、
第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有し、
前記単位セルの前記ベース領域から、前記他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展する第2導電型の電界緩和領域と、
前記ソース領域、及び前記ベースコンタクト領域上に、それぞれの領域の少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、
前記ソース領域、前記ベース領域、前記ドリフト領域、及び前記電界緩和領域上に、それぞれの領域の少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記単位セルの前記電界緩和領域同士はいずれも接続しておらず、
オフ方向に最も近接して隣り合う前記単位セルの間の前記電界緩和領域は、前記オフ方向ダウンステップ側の単位セルから、オフ方向アップステップ側に向かって伸展していることを特徴とする半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜に掛かる電界が集中する点をカバーするように、前記第2導電型の電界緩和領域が伸展していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ベース領域の形状は前記ドリフト領域の表層直上から見た形状が多角形であり、
当該ベース領域の角部のうち、オフ方向ダウンステップ側を向いていない角部の少なくとも一つから、前記電界が集中する点に向けて、前記第2導電型の電界緩和領域が伸展していることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 前記単位セルのベース領域の形状は、矩形、正方形、あるいは六角形であり、
前記単位セルのベース領域は矩形格子、正方格子、あるいは六角格子状に配列されることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。 - 前記第2導電型の電界緩和領域の前記ドリフト領域の表層直上から見た形状が、曲線で構成されるか、あるいは、2つ以上の角で構成され一つの角度が90度以上となる事を特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第2導電型の電界緩和領域の不純物濃度が、5×1018〜1×1021cm−3を満たす範囲であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記単位セルのベース領域の平面形状が矩形あるいは正方形であり、
前記単位セルのベース領域は矩形格子あるいは正方格子状に配列され、
前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記単位セルの前記ベース領域の複数ある角部の少なくとも一つから、第2近接となる他の単位セルのベース領域の複数ある角部のうち最も近い角部方向に、当該他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展し、
当該第2導電型の電界緩和領域の伸展長さが、以下の不等式を満足する、請求項2記載の半導体装置。
LJ2−LJ1<LE<LJ2
LE:基点となる前記ベース領域の角部から前記電界緩和領域端部までの長さ
LJ1:基点となる前記ベース領域の角部と第1近接となる他の前記単位セルのベース領域角部の間の距離
LJ2:基点となる前記ベース領域の角部と第2近接となる他の前記単位セルのベース領域角部の間の距離 - 前記単位セルのベース領域の平面形状が六角形であり、
前記単位セルは六角格子状に配列され、
前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記単位セルの前記ベース領域の複数ある角部の少なくとも一つである基点から、第1近接となる他の2つの単位セルであって、当該2つの単位セル同士も第1近接である単位セルのベース領域の最近接の角部を直線で結んだ中点のうち、前記基点に最も近い中点の方向に他のセルのベース領域と接続しない範囲で伸展し、
当該第2導電型の電界緩和領域の伸展長さが、以下の不等式を満足する、請求項2記載の半導体装置。
LE<LJ1
LE:基点となるベース領域の角部から前記電界緩和領域端部までの長さ
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセルのベース領域の最近接の角部の間の距離 - 半導体装置をスイッチング素子として用いた電力変換装置であって、
前記半導体装置は、
第1導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備え、
前記単位セルの其々は、
第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有し、
前記単位セルの前記ベース領域から、前記他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展する第2導電型の電界緩和領域と、
前記ソース領域、及び前記ベースコンタクト領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、
前記ソース領域、前記ベース領域、前記ドリフト領域、及び前記電界緩和領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜と、
を備え、
前記単位セルの前記電界緩和領域同士はいずれも接続しておらず、
オフ方向に最も近接して隣り合う前記単位セルの間の前記電界緩和領域は、前記オフ方向ダウンステップ側の単位セルから、オフ方向アップステップ側に向かって伸展していることを特徴とする電力変換装置。 - 第1導電型の炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備え、
前記単位セルの其々は、
第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有し、
前記単位セルの前記ベース領域から伸展する第2導電型の電界緩和領域と、
前記ソース領域、及び前記ベースコンタクト領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、
前記ソース領域、前記ベース領域、前記ドリフト領域、及び前記電界緩和領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜とを備え、
前記単位セルのベース領域の平面形状が矩形あるいは正方形であり、
前記単位セルのベース領域は矩形格子あるいは正方格子状に配列され、
4個の単位セルであって、各単位セルに対して他の2つが第1近接、他の1つが第2近接となる関係の4個の前記単位セルの組でセルのグループを定義した場合、当該単位セルのグループの幾何学的重心位置よりオフ方向ダウンステップ側にシフトした点に向けて、4個の前記単位セルのうち前記オフ方向ダウンステップ側に配置される2個のうちの少なくとも一つのベース領域から、前記第2導電型の電界緩和領域が伸展していることを特徴とする半導体装置。 - 前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記単位セルの前記ベース領域の角部の一つから、前記グループ内で第2近接となる他の単位セルの前記ベース領域の直近の角部方向に伸展し、
当該電界緩和領域は、前記ベース領域の角部の一つと、前記第2近接となる他の単位セルのベース領域の直近の角部を結ぶ直線から、オフ方向ダウンステップ側にシフトした位置に配置されていることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 - X方向をオフ方向とし、Y方向をオフ方向と垂直とし、4つの前記単位セルに囲まれた領域の幾何学的重心を原点としたとき、
前記囲まれた領域における前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記4つの単位セルのうち第2近接の関係にある第1および第2の単位セルのベース領域の対向する角部を接続するとともに、第2近接の関係にある第3および第4の単位セルのベース領域の対向する角部を接続する、十字形状のp型の電界緩和領域であり、
当該十字形状の電界緩和領域の幾何学的重心位置が(N,0)となり、Nが以下の不等式を満たす事を特徴とする請求項11記載の半導体装置。
0<N<LJ1/2
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離 - X方向をオフ方向とし、Y方向をオフ方向と垂直とし、4つの単位セルに囲まれた領域の重心を原点としたとき、
前記囲まれた領域における前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記4つの単位セルのうち第2近接の関係にある第1および第2の単位セルのベース領域の対向する角部を接続するとともに、第2近接の関係にある第3および第4の単位セルのベース領域の対向する角部を接続しない、直線形状のp型の電界緩和領域であり、
当該直線形状のp型の電界緩和領域の重心位置が(N,0)となり、Nが以下の不等式を満たす事を特徴とする請求項11記載の半導体装置。
0<N<LJ1/2
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離 - X方向をオフ方向とし、Y方向をオフ方向と垂直とし、4つの単位セルに囲まれた領域の重心を原点としたとき、
前記囲まれた領域における前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記4つの単位セルのうち第1近接の関係にある第1および第2の単位セルのベース領域の対向する角部を接続するとともに、第1近接の関係にある第3および第4の単位セルのベース領域の対向する角部を接続しない、V字形状のp型の電界緩和領域であり、
当該V字形状の電界緩和領域の屈曲部が座標(N,0)を覆い、Nが以下の不等式を満たす事を特徴とする請求項11記載の半導体装置。
0<N<LJ1/2
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
LJ1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
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