JP7471199B2 - 炭化珪素半導体装置、電力変換装置、および炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
炭化珪素半導体装置、電力変換装置、および炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
<A-1.構造>
<A-1-1.平面構造>
図1は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置101の平面図である。図1に示されるように、炭化珪素半導体装置101は、セル領域1、終端領域2、およびパッド領域3を備えて構成される。なお、図1に示される平面図は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置101の他、後述する他の実施の形態の半導体装置および比較例の半導体装置にも適用される。
図2および図3は、炭化珪素半導体装置101の断面図である。図2は、図1のA-A線におけるセル領域1の断面図である。なお、図1のB-B線における電流センスパッド4aの断面図も図2に示すものと同様である。すなわち、セル領域1と電流センスパッド4aは同一の断面構造を有している。図3は、図1のC-C線におけるゲートパッド領域の断面図である。
図4は、炭化珪素半導体装置101の製造工程を示すフローチャートである。また、図5から図8は、炭化珪素半導体装置101の製造工程を示す断面図である。以下、図4のフローチャートに沿って、図5から図8を参照しつつ炭化珪素半導体装置101の製造工程を説明する。なお、図5から図8は、図1のA-A線またはB-B線に沿った断面図に対応しており、ゲートパッド領域および終端領域2を図示していない。ゲートパッド領域におけるバリアメタル21,22は、セル領域1および電流センスパッド4aにおけるバリアメタル21,22と同一の方法により成膜される。ゲートパッド領域におけるバリアメタル21,22以外の構成は、周知の製造方法により作成される。また、終端領域2も周知の製造方法により作製される。
上記では、バリアメタル21,22の金属材料をTiとして説明している。しかし、バリアメタル21,22の金属材料は同一であれば、Tiに限らず、TiNまたはTiSiであっても同一の効果を得る。バリアメタル21,22の金属材料をTiNとする場合、バリアメタル21は、チタン(Ti)をPVD(Physical Vapor Deposition)またはCVDによって成膜した後、N2雰囲気化で熱処理することによって形成される。アニール温度は500~1100℃で時間は1時間程度である。TiN上に自然酸化膜を形成してもよい。その後、バリアメタル22もバリアメタル21と同様に形成される。
図9は、単層のバリアメタル20を有する比較例の炭化珪素半導体装置100の断面図である。炭化珪素半導体装置100においては、バリアメタル20の厚みを大きくすることにより、閾値電圧の変動を抑制することが可能となるが、バリアメタル20が厚くなるほど、バリアメタル20の内部応力の影響によりバリアメタル20または層間絶縁膜19にクラックが生じやすいという問題がある。バリアメタル20に生じるクラックの要因として、ダイシングカットのような半導体ウエハからチップを切り出す加工工程時に生じる発熱、または電気特性不良のスクリーニングテスト時の電流印加による発熱などにより生じる熱応力がある。そして、クラックが生じると、局所的にバリアメタル20で保護できない箇所が生じるため、閾値電圧の変動が生じてしまう。
<B-1.構成>
図10は、実施の形態2の炭化珪素半導体装置102の構成を示す断面図である。図9は、図1のA-A線に沿った断面図である。炭化珪素半導体装置102は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置101の構成に加えて、下層のバリアメタル21と上層のバリアメタル22との間に酸化膜25を備えている。酸化膜25の厚みは極めて小さく、1Å程度である。
図11は、実施の形態2の炭化珪素半導体装置102の製造工程を示すフローチャートである。実施の形態2の炭化珪素半導体装置102の製造工程を説明する。
炭化珪素半導体装置102は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置101の構成に加えて、バリアメタル21とバリアメタル22との間に酸化膜25を備える。炭化珪素半導体装置102の製造方法は、バリアメタル21上に酸化膜25を形成し、酸化膜25を介してバリアメタル21上にバリアメタル22を形成する。酸化膜25は、上層のバリアメタル22に発生したクラックが下層のバリアメタル21に到達することを防ぐと共に、閾値電圧の変動の原因となる水素イオンがゲート酸化膜へ侵入することを抑制する。従って、実施の形態2の炭化珪素半導体装置102によれば、閾値電圧の変動を実施の形態1の炭化珪素半導体装置101よりも抑制することができる。
<C-1.構成>
図12は、実施の形態3の炭化珪素半導体装置103の構成を示す断面図である。図12は、図1のA-A線に沿った断面図である。実施の形態1の炭化珪素半導体装置101では、下層のバリアメタル21および上層のバリアメタル22が層間絶縁膜19の全領域上に形成された。これに対して実施の形態3の炭化珪素半導体装置103では、層間絶縁膜19の一部の領域上において、下層のバリアメタル21が形成されず上層のバリアメタル22が形成されることにより、上層のバリアメタル22に段差が生じることを特徴とする。
図13は、実施の形態3の炭化珪素半導体装置103の製造工程を示すフローチャートである。実施の形態3の炭化珪素半導体装置103の製造工程を説明する。
実施の形態3の炭化珪素半導体装置103では、層間絶縁膜19とソース電極23との間にバリアメタル21が形成されない部分があり、このバリアメタル21が形成されない部分において、バリアメタル22の表面に段差がある。このように、バリアメタル22の表面に段差があることにより応力が緩和され、バリアメタル22の熱処理後のクラック発生を抑制することができる。
<D-1.構成>
実施の形態4の炭化珪素半導体装置104の平面図は図1に示された通りである。実施の形態4の炭化珪素半導体装置104では、センスセル領域である電流センスパッド4aにおいても、セル領域1と同様の2層のバリアメタル21,22が設けられる。
図14は、実施の形態4の炭化珪素半導体装置104の製造工程を示すフローチャートである。実施の形態4の炭化珪素半導体装置104の製造工程を説明する。
セル領域1とセンスセル領域とで閾値電圧が異なると、センスセル領域において正確な電流検出ができないため、適切な過電流保護ができなくなる。しかし、実施の形態4の炭化珪素半導体装置104では、センスセル領域においても同一金属からなる2層のバリアメタル21,22を備える。すなわち、実施の形態4の炭化珪素半導体装置104において、バリアメタル21,22は、センスセル領域において層間絶縁膜19とソース電極23との間に形成される。これにより、センスセル領域とセル領域1とで閾値電圧を揃えることができ、正確な電流検出が可能になる。
本実施の形態は、上述した各実施の形態の炭化珪素半導体装置101-104を電力変換装置に適用したものである。炭化珪素半導体装置101-104の適用は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態5として、三相のインバータに炭化珪素半導体装置101-104を適用した場合について説明する。
Claims (10)
- 炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成される半導体層と、
ゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対向するゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成されるバリアメタルと、
前記バリアメタルを覆う上面電極と、を備え、
前記バリアメタルは、第1バリアメタルと第2バリアメタルからなる2層構造であり、
前記層間絶縁膜側の前記バリアメタルである前記第1バリアメタルは、前記第2バリアメタルと同一の金属からなり、前記第2バリアメタルよりも厚みが小さく、
前記層間絶縁膜と前記上面電極との間に、前記第2バリアメタルが形成されない部分がある、
炭化珪素半導体装置。 - 前記第1バリアメタルの厚みと前記第2バリアメタルの厚みとの合計は、100nm以上200nm以下である、
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第1バリアメタルと前記第2バリアメタルとの間に酸化膜をさらに備える、
請求項1または請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第1バリアメタルおよび前記第2バリアメタルの材質はTiまたはTiNである、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記バリアメタルは、センスセル領域において前記層間絶縁膜と前記上面電極との間に形成される、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記炭化珪素半導体装置を駆動する駆動信号を前記炭化珪素半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備える、
電力変換装置。 - 炭化珪素基板を準備し、
前記炭化珪素基板上に半導体層を形成し、
ゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対向するゲート電極を形成し、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜上に第1バリアメタルを形成し、
前記第1バリアメタル上に、前記第1バリアメタルと同一の金属からなり、前記第1バリアメタルよりも厚い第2バリアメタルを形成し、
前記第2バリアメタルを覆う上面電極を形成し、
前記層間絶縁膜と前記上面電極との間に、前記第2バリアメタルが形成されない部分がある、
炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記第1バリアメタルと前記第2バリアメタルの厚みの合計は、100nm以上200nm以下である、
請求項7に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記第1バリアメタル上に酸化膜をさらに形成し、
前記第2バリアメタルの形成は、前記酸化膜を介して前記第1バリアメタル上に前記第2バリアメタルを形成することである、
請求項7または請求項8に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記第1バリアメタルおよび前記第2バリアメタルの材質はTiまたはTiNである、
請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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