JPWO2019124378A1 - 炭化珪素半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、ゲートパッド近傍や半導体装置終端部近傍の領域では、ソース電極よりも外周側に張り出した終端ウェル領域が形成されており、終端ウェル領域とドリフト層との間で寄生PNダイオードを形成している。そして、この箇所では、ショットキ電極が形成されておらず、ユニポーラ型ダイオードが形成されていない。終端ウェル領域ではショットキ電極が無いため、終端ウェル領域とドリフト層とによって形成されるPNダイオードにソース電極とドレイン電極との間の電圧が印加され、結果としてPNダイオードにバイポーラ電流が流れる。
さらに、本願では、炭化珪素半導体装置全体のうち、ユニットセルが周期的に並ぶ領域を活性領域と、また、活性領域以外の領域を終端領域と呼んで説明する。
まず、本発明の実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を説明する。
図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置であるショットキダイオード(SBD)内蔵炭化珪素MOSFET(SBD内蔵SiC−MOSFET)を上面から見た平面模式図である。図1において、SiC−MOSFETの上面の一部にはゲートパッド81が形成されており、これに隣接してソース電極80が形成されている。また、ゲートパッド81から延びるように、ゲート配線82が形成されている。
図2は、図1のソース電極80から炭化珪素半導体装置の外周部のゲート配線82にかけてのa−a’部分の断面を模式的に示す断面模式図である。また、図3は、図1の上面図の主に炭化珪素半導体部分を記載した平面模式図である。
この第1離間領域21の表面側には、第1離間領域21とショットキ接続する第1ショットキ電極71が形成されている。ここで、第1ショットキ電極71は、上面から見て、少なくとも対応する第1離間領域21を含むように形成されていることが望ましい。
第2ウェル領域31が形成されている領域より外側が、終端領域となる。
半導体基板10の裏面側には、ドレイン電極84が形成されている。
まず、第1主面の面方位がオフ角を有する(0001)面であり、4Hのポリタイプを有する、n型で低抵抗の炭化珪素からなる半導体基板10の上に、化学気相堆積法(chemical Vapor Deposition:CVD法)により、1×1015から1×1017cm−3の不純物濃度でn型、5から50μmの厚さの炭化珪素からなるドリフト層20をエピタキシャル成長させる。
次に、フォトレジスト等によるパターニングを用いて、第1離間領域21と第4離間領域との上の層間絶縁膜55とゲート絶縁膜50と、および、ゲートコンタクトホール95となる位置の層間絶縁膜55を除去する。除去する方法としては、ショットキ界面となる炭化珪素層の表面にダメージを与えないウェットエッチングとする。
還流動作では、ソース電圧(ソース電極80の電圧)に対しドレイン電圧(ドレイン電極84の電圧)が低くなり、数Vの電圧が発生する。活性領域においては、第1ウェル領域30より低電圧でオンする、第1離間領域21と第1ショットキ電極71間のSBDが形成されているので、原則として還流電流がSBDに流れ、第1ウェル領域30には流れない。終端領域においては、第2ウェル領域31にオーミック電極を経由してオーミック接続するソース電極80がある場合、第2ウェル領域31とドリフト層20と間に形成されるpn接合にソース−ドレイン間の電圧の多くが印加されるために、第2ウェル領域31とドリフト層20とで形成されるpnダイオードにバイポーラ電流が流れることになる。しかしながら、本発明の炭化珪素半導体装置においては、第2ウェル領域31がソース電極80とオーミック接続されておらず、絶縁されている、あるいは、ショットキ接続されている。また、第2ウェル領域31を貫通して形成されている複数の第4離間領域24とその上部の第2ショットキ電極73との間にSBDが形成されている。
その理由は、先に説明したように、活性領域端部のSBDから流れるSBD電流が外周方向に広がるためである。活性領域端部のSBDと終端領域内のSBDの距離が大きければ、活性領域端部のSBD電流が外周方向に広がりやすくなる。そのとき、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のように、終端領域のSBDの間隔が活性領域のSBDの間隔より小さいと、活性領域端部のSBD電流が外周方向に広がるのを抑制でき、活性領域端部の第1ウェル領域30とドリフト層20との間のpn接合に順方向電流であるバイポーラ電流が流れることを抑制でき、pn接合の積層欠陥の拡張およびこの積層欠陥の拡張による絶縁耐圧の低下を抑制できる。
同様に、終端領域の第4離間領域24間の間隔は、活性領域の第1離間領域21間の間隔より短い。また、終端領域の第2ショットキ電極73の密度は、活性領域の第1ショットキ電極71の密度より高い。
さらに、終端領域のSBD間の間隔は、活性領域のSBD間の間隔より短い。終端領域のSBD密度は、活性領域のSBD密度より高い。
このような場合は、第1ウェル領域30は、第1ウェル領域30内のソース領域40、あるいは、第1ウェル領域30内の第1離間領域21上に設けられた第1ショットキ電極71のいずれかからの距離が50μm以内であるものとする。
本実施の形態においては、第1ショットキ電極71は、第1離間領域21と第1ウェル領域30の上のみに、また第2ショットキ電極73は第4離間領域24と第2ウェル領域31の上のみに形成される例を示したが、オーミック電極70や層間絶縁膜55の上に形成されていても良い。
また、本実施の形態はチャネル領域やショットキ電極面がウエハ平面と平行に形成されるプレーナ型を想定して説明されたが、チャネル領域やショットキ電極面がウエハ平面と斜め、もしくは垂直に形成されるトレンチ型においても有効である。この場合、本明細書で定義される表面とは、ウエハ平面のみならず、トレンチ形成面も含まれる。
実施の形態1の炭化珪素半導体装置の終端領域の第2ウェル領域31に形成されたSBDは、一つの第2コンタクトホール91内に一つの第2ショットキ電極73と一つの第4離間領域24を備えていたが、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の終端領域のウェル領域に形成されたSBDは、複数の第4離間領域24間の間隔を活性領域の第1離間領域21間の間隔より小さくした上で、複数の第4離間領域24にまたがる第2コンタクトホール91と第2ショットキ電極73が形成されている。その他の点については、実施の形態1と同様であるので、詳しい説明を省略する。
したがって、第2ウェル領域31内のSBD密度をより高めることができ、より高密度のSBD電流を流すことができる。その結果、活性領域端部のバイポーラ通電をより強力に抑制することができる。
実施の形態2では、補助領域38が第2ウェル領域31と繋がっている例を説明したが、本実施の形態では、補助領域38の代わりに接地補助領域39が形成され、接地補助領域39と第2ウェル領域31とが接続されておらず、第2ウェル領域31はソース電極80とオーミック接続されておらず、接地補助領域39はソース電極80とオーミック接続されている。また、接地補助領域39の内側または間には、n型の第4離間領域24が形成されている。その他の点については、実施の形態1、2と同様であるので、詳しい説明を省略する。
第5離間領域25は、ドリフト層20と同じn型で、ドリフト層20と同じ不純物濃度を有するものとする。第5離間領域25のn型不純物濃度は、ドリフト層20のn型不純物濃度より高くしてもよい。
このように、第2コンタクト領域33とコンタクト領域32、または、第2オーミック電極74とオーミック電極70を、それぞれ同じ工程で形成することにより、製造コストを低減することができる。
実施の形態1〜3の炭化珪素半導体装置の終端領域では、原則として活性領域内の第1ウェル領域30と終端構造の第2ウェル領域31とは離間していて、第2ウェル領域31はソース電極80とオーミック接続されていなものについて主に説明したが、本実施の形態では、終端構造の第2ウェル領域31が補助接続領域34を経由して第1ウェル領域30の一部と接続している。その他の構成については、実施の形態1〜3と同様であるので、詳しい説明は省略する。
第2導電型の補助接続領域34は、イオン注入マスクを変更することにより、第2ウェル領域31形成と同時に形成すればよい。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、第2ウェル領域31が補助接続領域34を介して接続されており、第2ウェル領域31上の絶縁膜の絶縁破壊をより確実なものにでき、より信頼性を高めることができる。
また、第1ショットキ電極71と第2ショットキ電極73についても同一材料で形成されてもよいし、別材料で形成されてもよい。
また、上記実施形態では、結晶構造、主面の面方位、オフ角および各注入条件等、具体的な例を用いて説明したが、これらの数値範囲に適用範囲が限られるものではない。
本実施の形態は、上述した実施の形態1〜4にかかる炭化珪素半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明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本発明を適用した場合について説明する。
同様に、終端領域の第4離間領域24間の間隔は、活性領域の第1離間領域21間の間隔より短い。また、終端領域の第4離間領域24の密度は、活性領域の第1離間領域21の密度より高い。
さらに、終端領域のSBD間の間隔は、活性領域のSBD間の間隔より短い。終端領域のSBD密度は、活性領域のSBD密度より高い。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、第2ウェル領域31が補助接続領域34を介して第1ウェル領域30と接続されており、第2ウェル領域31上の絶縁膜の絶縁破壊の抑制をより確実なものにでき、より信頼性を高めることができる。
Claims (16)
- 第1導電型の炭化珪素の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層に複数設けられた第2導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第1ウェル領域に隣接して形成された複数の第1導電型の第1離間領域と、
前記第1離間領域上に設けられ、前記第1離間領域とショットキ接合する第1ショットキ電極と、
前記第1ウェル領域上に設けられたオーミック電極と、
前記第1ウェル領域と別に前記ドリフト層の表層に設けられた第2導電型の第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第2ウェル領域に隣接して形成され、複数の前記第1離間領域より間隔が短く形成された、複数の第1導電型の第4離間領域と、
前記第4離間領域上に設けられ、前記第1離間領域とショットキ接合する第2ショットキ電極と、
前記第1ウェル領域の表層部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1ウェル領域上および前記第2ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第1ウェル領域上および前記第2ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極と接続され、前記第2ウェル領域の上方に形成されたゲートパッドと、
前記第1ショットキ電極、前記第2ショットキ電極、および、前記オーミック電極に電気的に接続され、前記第2ウェル領域と非オーミック接続されたソース電極と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 第1導電型の炭化珪素の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層に複数設けられた第2導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第1ウェル領域に隣接して形成された複数の第1導電型の第1離間領域と、
前記第1離間領域上に設けられ、前記第1離間領域とショットキ接合する第1ショットキ電極と、
前記第1ウェル領域上に設けられたオーミック電極と、
前記第1ウェル領域と別に前記ドリフト層の表層に設けられた第2導電型の第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第2ウェル領域に隣接して形成され、前記第1離間領域より平面方向に高密度に形成された、複数の第1導電型の第4離間領域と、
前記第4離間領域上に設けられ、前記第1離間領域とショットキ接合する第2ショットキ電極と、
前記第1ウェル領域の表層部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1ウェル領域上および前記第2ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第1ウェル領域上および前記第2ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極と接続され、前記第2ウェル領域の上方に形成されたゲートパッドと、
前記第1ショットキ電極、前記第2ショットキ電極、および、前記オーミック電極に電気的に接続され、前記第2ウェル領域と非オーミック接続されたソース電極と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域が離間している
ことを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2ウェル領域上に前記ゲート絶縁膜より膜厚が大きいフィールド絶縁膜を備え、前記フィールド絶縁膜を貫通して形成され、前記第2ショットキ電極と前記ソース電極とを接続する第2コンタクトホールを備えたことを特徴とする
請求項1から3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜と前記フィールド絶縁膜との境界が、前記第1離間領域と前記第4離間領域との間にあることを特徴とする
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2ウェル領域の上層部に前記第2ウェル領域より抵抗率が低い炭化珪素導電性層を備えたことを特徴とする
請求項1から5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 複数の前記第4離間領域の間の上方に、前記ゲート電極を備えたことを特徴とする
請求項1から6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第4離間領域の間の上方に形成された前記ゲート電極の幅は、前記第1ウェル領域近傍の前記第1離間領域間の上方に形成された前記ゲート電極の幅より大きいことを特徴とする
請求項1から7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2ショットキ電極は、前記第2ウェル領域の一部の上に形成されており、
前記第2ウェル領域の前記第2ショットキ電極と接する領域の不純物濃度は、前記第2ウェル領域の前記第2ショットキ電極から深さ方向に離れた領域の不純物濃度より低いことを特徴とする
請求項1から8のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2ショットキ電極は、前記第2コンタクトホール内に形成された複数の前記第4離間領域と、前記第4離間領域間に形成された第2導電型の補助領域との上に形成されており、
前記補助領域の前記第2ショットキ電極と接する領域の不純物濃度は、前記補助領域の前記第2ショットキ電極から深さ方向に離れた領域の不純物濃度より低いことを特徴とする
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2ウェル領域と第1導電型の第5離間領域を介して隣接し、前記ソース電極にオーミック接続された第2導電型の接地補助領域を備えたことを特徴とする
請求項1から9のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記接地補助領域の平面視上の内側または間に前記第4離間領域を備えたことを特徴とする請求項11に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第2ショットキ電極は、前記第2ウェル領域と前記第5離間領域と前記接地補助領域とを跨ぐように形成されたことを特徴とする
請求項11または12に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記接地補助領域と前記ソース電極との間に、第2オーミック電極を備えたことを特徴とする
請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記接地補助領域の上部に前記接地補助領域より第2導電型不純物濃度が高い第2コンタクト領域を備えたことを特徴とする
請求項11から請求項14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15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、
前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記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、を備えた電力変換装置。
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