JP2017191918A - 炭化珪素半導体装置、炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トレンチゲート構造の縦型MOSFETにおいて、n+型炭化珪素基板1上にn型ドリフト層2とp型ベース層6がエピタキシャル成長され、p型ベース層6の内部には、n++型ソース領域7とp++型コンタクト領域8が設けられる。第1ソース電極14は、n++型ソース領域7と接触し、第2ソース電極15は、p++型コンタクト領域8と接触する。第1ソース電極14と第2ソース電極15は、互いに分離されている。
【選択図】図1
Description
図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図1には、2つの単位セル(素子の機能単位)のみを示し、これらに隣接する他の単位セルを図示省略する(他の図においても同様)。図1に示す実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体(炭化珪素基体:半導体チップ)100のおもて面(p型ベース層6側の面)側にMOSゲートを備えたMOSFETである。
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図2〜9は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、n+型炭化珪素基板1を用意する。次に、n+型炭化珪素基板1のおもて面に、n型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。ここまでの状態が図2に記載される。
以下の実施例において、インバータ回路に用いた場合を例に、第2ソース電極15が計測した電流値に基づき、ゲート電圧を制御する方法について詳細に説明する。以下の実施例1〜4では、1200V耐圧クラスのトレンチゲート構造の炭化珪素MOSFETを例に説明する。
上記の実施例2の方法では、デッドタイム期間において、第2ソース電極15を流れるわずかな内蔵ダイオードの電流によって、MOSチャネルを自動的にオンさせている。実施例2では、外部回路で還流電流32を検出して、実施例1より早く下アームのMOSチャネルをオンさせることができる。図13は、実施例2にかかる炭化珪素半導体装置の外部検出回路によるゲートオン動作を示す断面図である。図13に示すように、実施例2では、第2ソース電極15に外部抵抗19と、第2ソース電極15の電位を検出する検出回路20を接続し、ゲート電極10に、検出回路20が検出した値によりゲート電圧を制御可能なゲートドライバ21を接続する。
上記の実施例1、2は、インバータ回路の下アームのMOSFETが還流モードにある期間の例であったが、実施例3は、下アームのMOSFETがオン状態にあるときにゲートにオフ信号を加えた場合の例である。
実施例1〜3に示した方法を用いると、炭化珪素MOSFETの還流モード時におけるバイポーラ劣化が抑制されるが、完全に抑制されるわけではない。わずかなホール電流がn型ドリフト層2を流れるため、炭化珪素MOSFETの使用時間が長くなるにしたがって累積的に積層欠陥が拡張する場合がある。
2 n型ドリフト層
3 第1p+型領域
4 第2p+型領域
4a 下側第2p+型領域
4b 上側第2p+型領域
5 n+型領域
5a 第1n+型領域
5b 第2n+型領域
6 p型ベース層
7 n++型ソース領域
8 p++型コンタクト領域
9 ゲート酸化膜
10 ゲート電極
11 第1層間絶縁膜
12 第2層間絶縁膜
13 バリアメタル
14 第1ソース電極
15 第2ソース電極
16 ソース電極パッド
17 ドレイン電極
18 トレンチ
19 外部抵抗
20 検出回路
21 ゲートドライバ
22 シリコンダイオード
23 電圧センサ
24 温度センサ
25 演算回路
31、32 還流電流
100 半導体基体
1600、1900 インバータ回路
1601、1901 MOSFET
1602、1902 寄生pnダイオード
1603、1903 負荷
Claims (11)
- 炭化珪素基板のおもて面に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記炭化珪素基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体層に接触するゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜の前記第2半導体層と接触する面と反対側の表面に設けられたゲート電極と、
前記第1半導体領域と接触する第1電極と、
前記第2半導体領域と接触し、前記第1電極と分離されている第2電極と、
前記炭化珪素基板の裏面に設けられた第3電極と、
を備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記第2半導体層を貫通するトレンチをさらに備え、
前記ゲート電極は、前記トレンチの内部に前記ゲート酸化膜を介して設けられていることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第2電極は、電気抵抗を介して前記第1電極に接続され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電極は、電気抵抗およびダイオードを介して前記第1電極に接続され、前記ダイオードは、前記第1電極とカソードで接続され、前記第2電極とアノードで接続され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。
- 前記電気抵抗および前記ダイオードは、前記炭化珪素半導体装置上に成膜されたポリシリコンにより形成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の炭化珪素半導体装置。
- 炭化珪素基板のおもて面に第1導電型の第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する工程と、
前記第2半導体層の内部に、前記炭化珪素基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を選択的に形成する工程と、
前記第2半導体層の内部に、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第2半導体領域を選択的に形成する工程と、
前記第2半導体層に接触するゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜の前記第2半導体層と接触する面と反対側の表面にゲート電極を形成する工程と、
前記第1半導体領域と接触する第1電極を形成する工程と、
前記第2半導体領域と接触し、前記第1電極と分離されている第2電極を形成する工程と、
前記炭化珪素基板の裏面に第3電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 炭化珪素基板のおもて面に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記炭化珪素基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体層に接触するゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜の前記第2半導体層と接触する面と反対側の表面に設けられたゲート電極と、
前記第1半導体領域と接触する第1電極と、
前記第2半導体領域と接触し、前記第1電極と分離されている第2電極と、
前記炭化珪素基板の裏面に設けられた第3電極と、
を備える炭化珪素半導体装置に対して、
前記第1電極および前記第2電極から前記第3電極に向かって電流が流れる際に、前記第2電極に流れる電流値を計測し、
前記計測した電流値に基づいて、前記ゲート電極に印加する電圧を設定することで、前記第1電極に流れる電流と前記第2電極に流れる電流との比率を調整する
処理を実行することを特徴とする炭化珪素半導体装置の制御方法。 - 前記計測する処理は、前記第2電極に流れる電流の瞬時値を計測することを特徴とする請求項7に記載の炭化珪素半導体装置の制御方法。
- 前記計測する処理は、前記第2電極に流れる電流の所定時間の平均値を計測することを特徴とする請求項7に記載の炭化珪素半導体装置の制御方法。
- 前記炭化珪素半導体装置の温度を計測する処理をさらに含み、
前記比率を調整する処理は、前記計測した電流値および温度に基づいて、前記ゲート電極に印加する電圧を設定することを特徴とする請求項7〜9のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の制御方法。 - 前記第1電極および前記第2電極から前記第3電極に向かって電流が流れる際に、前記第2電極に流れる電流を所定の値以下に調整することで、前記炭化珪素半導体装置内の結晶欠陥を縮小させることを特徴とする請求項7〜10のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の制御方法。
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