JP2018082025A - Semiconductor device, power conversion apparatus and manufacturing method for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a power conversion device, and manufacture of the semiconductor device.
近年、物性値が優れるSiC(炭化ケイ素)を用いたパワー半導体装置(SiCパワー半導体装置)が、鉄道などの動力部のインバータ等に搭載され始めている。SiCパワー半導体装置は、順方向電圧印加時に電流が流れるアクティブ領域と、順方向電圧印加時には電流は流れないが逆方向電圧印加時にチップ終端部に集中する電界を緩和するためのターミネーション領域とから構成される。そして、ターミネーション領域上には、誘電層が形成されている。このような構成を有するSiCパワー半導体装置は、例えば、特許文献1に開示されている。
In recent years, power semiconductor devices (SiC power semiconductor devices) using SiC (silicon carbide) having excellent physical property values have begun to be mounted on inverters and the like of power sections such as railways. The SiC power semiconductor device includes an active region in which a current flows when a forward voltage is applied, and a termination region that relaxes an electric field that does not flow in a forward voltage but is concentrated on a chip termination portion when a reverse voltage is applied. Is done. A dielectric layer is formed on the termination region. An SiC power semiconductor device having such a configuration is disclosed in
しかし、特許文献1のSiCパワー半導体装置では、表面が平坦なターミネーション領域上に直接誘電層(樹脂層)が形成されている。このような構成だと、誘電層とターミネーション領域との界面に、正電荷蓄積層が形成されることになる。この正電荷蓄積層の形成は、SiCパワー半導体装置の製造プロセスと深く関係する。つまり、SiCパワー半導体装置の製造プロセスでは、誘電層形成工程の前に、酸化工程が存在するのが一般的である。この酸化工程において、正電荷蓄積層が形成されてしまうのである。そして、この正電荷蓄積層の存在により、ターミネーション領域において電界分布が変わり耐圧が変動してしまう(非特許文献1参照)。特許文献1には、正電荷蓄積層の存在によって生じるターミネーション領域における電界分布の変動については言及されていない。
However, in the SiC power semiconductor device of
本発明の目的は、ターミネーション領域において、電界分布が変わり耐圧が変動することを抑制可能な半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device, a power conversion device, and a method of manufacturing a semiconductor device that can suppress an electric field distribution from changing and a withstand voltage fluctuation in a termination region.
本発明の一態様に係る半導体装置は、炭化珪素基板上に形成されたアクティブ領域と、前記アクティブ領域の周囲に形成されたターミネーション領域と、を備え、前記ターミネーション領域は、前記炭化珪素基板上に形成され、表面に段差部を有するドリフト層と、前記ドリフト層の表面に、前記段差部を覆うように形成された誘電層と、を有することを特徴とする。 A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes an active region formed on a silicon carbide substrate, and a termination region formed around the active region, and the termination region is formed on the silicon carbide substrate. A drift layer formed and having a stepped portion on a surface thereof, and a dielectric layer formed on the surface of the drift layer so as to cover the stepped portion.
本発明の一態様に係る電力変換装置は、上記態様に係る半導体装置を有することを特徴とする。 A power conversion device according to one embodiment of the present invention includes the semiconductor device according to the above embodiment.
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、アクティブ領域の周囲にターミネーション領域を有する半導体装置の製造方法であって、前記ターミネーション領域において、前記炭化珪素基板上にドリフト層を形成するドリフト層形成工程と、前記ドリフト層の表面に対して酸化処理を行う酸化工程と、前記ドリフト層の表面をエッチングすることにより段差部を形成するエッチング工程と、前記エッチングにより形成された前記段差部を覆うように誘電層を形成する誘電層形成工程と、を有することを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a termination region around an active region, wherein a drift layer is formed on the silicon carbide substrate in the termination region. A step of forming, an oxidation step of oxidizing the surface of the drift layer, an etching step of forming a step by etching the surface of the drift layer, and covering the step formed by the etching And a dielectric layer forming step of forming the dielectric layer as described above.
本発明によれば、ターミネーション領域において電界分布が変わり耐圧が変動することを抑制できる。 According to the present invention, it can be suppressed that the electric field distribution changes and the breakdown voltage fluctuates in the termination region.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
これまで、パワー半導体装置の材料としてSi(シリコン)が主流であったが、近年、物性値が優れるSiC(炭化ケイ素)が採用され始めている。SiCを用いたパワー半導体装置は、絶縁破壊強度がSiの約10倍であるため、パワー半導体装置の逆方向電圧印加時にエピタキシャル層側へ拡がる空乏層幅が約10分の1となり、半導体装置の厚さを薄くできる。そのため、Siを用いた電力変換機と比較して、同耐圧において、素子のオン抵抗の低抵抗化が可能である。また、SiCは、熱伝導率がSiの3倍であるため、高温環境での動作に適している。 Until now, Si (silicon) has been the mainstream material for power semiconductor devices, but in recent years, SiC (silicon carbide) having excellent physical properties has begun to be adopted. Since a power semiconductor device using SiC has a dielectric breakdown strength about 10 times that of Si, the width of the depletion layer that expands to the epitaxial layer side when a reverse voltage is applied to the power semiconductor device is about 1/10. The thickness can be reduced. Therefore, the on-resistance of the element can be reduced at the same breakdown voltage as compared with a power converter using Si. Moreover, since SiC has a thermal conductivity three times that of Si, it is suitable for operation in a high temperature environment.
パワー半導体装置は、順方向電圧印加時に電流が流れるアクティブ領域と、逆方向電圧印加時にチップ終端部に集中する電界を緩和するためのターミネーション領域とから構成される。ターミネーション領域には電流が流れないため、コストの面からはチップ当たりのターミネーション面積を可能な限り小さくすることが望ましい。上述した通り、SiCはSiに比べてエピタキシャル層側へ拡がる空乏層幅が約10分の1となるため、理論上、ターミネーション幅を狭く設計することができる。しかしながら、下記の理由のため、ターミネーション幅を充分に狭く設計できないのが現状である。SiCパワー半導体装置に対し、高温下において逆方向電圧を長時間印加すると、電圧が変動する現象が生じる。逆方向印加時にターミネーション領域に拡がる空乏層容量の変化に応じて、ターミネーション領域の電荷が変動することで、電界分布が変化し、結果として電圧が変動することになる。そのため、電荷量が増加しても所望の耐圧が得られるようなターミネーション構造を設計する必要があり、ターミネーション幅が広くなっている。 The power semiconductor device includes an active region in which a current flows when a forward voltage is applied, and a termination region for relaxing an electric field concentrated on a chip termination portion when a reverse voltage is applied. Since no current flows in the termination region, it is desirable to make the termination area per chip as small as possible from the viewpoint of cost. As described above, SiC has a depletion layer width that spreads to the epitaxial layer side as compared with Si, which is about 1/10. Therefore, theoretically, the termination width can be designed to be narrow. However, the present situation is that the termination width cannot be designed to be sufficiently narrow for the following reasons. When a reverse voltage is applied to a SiC power semiconductor device at a high temperature for a long time, a phenomenon that the voltage fluctuates occurs. When the charge in the termination region fluctuates in accordance with the change in the depletion layer capacitance that spreads to the termination region when applied in the reverse direction, the electric field distribution changes, and as a result, the voltage fluctuates. Therefore, it is necessary to design a termination structure that can obtain a desired withstand voltage even if the amount of charge increases, and the termination width is widened.
SiCパワー半導体装置のターミネーション領域における電荷変動幅は0〜2e1013cm−2である。この範囲で所望の耐電圧特性を得ようとすると、ターミネーション面積が大きくなり、一枚のウェハから取得できるチップ数が少なくなってしまう。ウェハコストが高いSiCにとってウェハ当たりのチップ数はコスト増の大きな原因となる。この課題を解決するためには、ターミネーション領域における電荷変動を抑制させる、もしくは、電荷変動が生じても電界分布が変化しない構造を提供することが必要である。つまり、高温下において逆方向電圧を長時間印加した前後でターミネーション領域にて生じる電荷変動を抑制する、もしくは電荷変動の影響を受けにくい構造とその製造方法が必要となる。本発明の実施形態は、このような観点を考慮して、ターミネーション領域において電界分布が変わり耐圧が変動することを抑制できるSiCパワー半導体装置及びその製造方法を提供するものである。 The charge fluctuation width in the termination region of the SiC power semiconductor device is 0 to 2e10 13 cm −2 . If a desired withstand voltage characteristic is obtained in this range, the termination area increases, and the number of chips that can be obtained from one wafer decreases. For SiC, which has a high wafer cost, the number of chips per wafer is a major cause of cost increase. In order to solve this problem, it is necessary to suppress the charge fluctuation in the termination region or to provide a structure in which the electric field distribution does not change even if the charge fluctuation occurs. That is, there is a need for a structure that suppresses charge fluctuations that occur in the termination region before and after applying a reverse voltage at a high temperature for a long time, or that is less susceptible to charge fluctuations, and a manufacturing method thereof. In consideration of such a viewpoint, the embodiment of the present invention provides an SiC power semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which the electric field distribution changes and the withstand voltage fluctuates in the termination region.
以下、図1〜図3を参照して、実施形態1に係る半導体装置(SiCパワー半導体装置)である半導体チップ1の構造について説明する。図1に示すように、実施形態1の半導体装置は、アクティブ領域2と、ターミネーション領域(終端領域)3とを有している。図1ではアクティブ領域2上に形成される電極や、ターミネーション領域3上に形成されるパッシベーション膜は省略されている。
Hereinafter, the structure of the
図2は、図1に示した線分XX’における断面図である。図2に示すように、実施形態1の半導体装置は、SiCからなる半導体基板であるSiC基板101を有している。SiC基板101はn型不純物(例えば、N(窒素))を高い濃度で含んでいる。SiC基板101の裏面、つまり第2主面には、裏面電極108が形成されている。裏面電極108は、例えば、SiC基板101の底面から下方に向かって順に、Ti(チタン)膜、Ni(ニッケル)膜およびAu(金)膜を形成した積層膜からなる裏面電極である。裏面電極108とSiC基板101とはオーミック接合されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX ′ shown in FIG. As shown in FIG. 2, the semiconductor device according to the first embodiment includes a
SiCからなるn型のSiC基板101の上面、つまり第1主面上には、SiC基板101よりもn型不純物濃度が低いSiCからなるn型のドリフト層102が形成されている。ドリフト層102は、比較的低い濃度でn型不純物(例えば、N(窒素)またはP(リン))を含んでいる。n型のSiC基板101とn型のドリフト層102の厚さは所望の耐圧によって決まる。例えば、3.3kV耐圧仕様の半導体装置におけるドリフト層102の厚さは、25〜35μmである。
An n-
ドリフト層102を含むエピタキシャル層の表面の一部にはターミネーション領域3を形成するp型不純物領域103が形成されている。p型不純物領域103は、p型不純物(例えば、Al(アルミニウム)またはB(ホウ素))を含んでいる。第1のp型不純物領域103aと第2のp型不純物領域103bは異なる濃度を有する。好ましくは、第1のp型不純物領域103aの不純物濃度は、第2のp型不純物領域103bの不純物濃度よりも高い。
A p-
図2で示すターミネーション領域3は異なる濃度を有する2つの領域(第1のp型不純物領域103aと第2のp型不純物領域103b)からなるが、3つ以上の領域で形成されても良い。また、図3に示すように複数の離散p型領域109(109a〜109d)からなるターミネーション領域3でも良い。
The
アクティブ領域2のドリフト層102の表面には表面電極106が形成されている。表面電極106の端部はp型不純物領域103a上にある。表面電極106は、例えば、ドリフト層102の上面から上方に向かって順に、Ti(チタン)膜、TiN膜、Al膜を形成した積層膜からなる。
A
ターミネーション領域3には、ドリフト層102の表面が削られた状態で、その上に誘電層107が形成されている。この結果、ドリフト層102は、表面に所定の段差部200を持つ構造を有する。具体的には、この段差部200は、p型不純物領域103に対して形成されている(図12参照)。これに伴い、ドリフト層102の表面の形成される誘電層107も所定の段差部210を有する。ここで、誘電層107は、例えば、樹脂膜もしくは酸化シリコンである。ドリフト層102及び誘電層107が、このような段差部200、210を有するので、ターミネーション領域3の一部の表面高さは、アクティブ領域2の表面高さよりも低くなる。
In the
図4Aは、ドリフト層102の表面を削らずに誘電層107を形成したサンプル対して、高温下において逆方向電圧を長時間印加し、その前後の逆方向電流―電圧特性である。一方、図4Bは、ドリフト層102の表面を削った上に誘電層107を形成したサンプルに対して、高温下において逆方向電圧を長時間印加し、その前後の逆方向電流―電圧特性である。図中の初期は逆方向電圧印加前の特性、印加後は逆方向電圧印加後の特性を示している。図4Aでは初期耐電圧10と印加後耐電圧11とで変化しているが、図4Bではほとんど変化がなかった。
FIG. 4A shows reverse current-voltage characteristics before and after applying a reverse voltage for a long time at a high temperature to a sample in which the
図5Aは、ドリフト層102の表面を削らずに誘電層107を形成したサンプルに対して、高温下において逆方向電圧を長時間印加し、その前後の逆方向容量−電圧特性である。一方、図5Bは、ドリフト層102の表面を削った上に誘電層107を形成したサンプルに対して、高温下において逆方向電圧を長時間印加し、その前後の逆方向容量−電圧特性である。図中の初期は逆方向電圧印加前の特性、印加後は逆方向電圧印加後の特性を示している。図5Aでは初期と電圧印加後で容量変動12と容量変動13が生じているが、図5Bでは変動しなかった。
FIG. 5A shows reverse capacitance-voltage characteristics before and after applying a reverse voltage for a long time at a high temperature to a sample in which the
図6は、電荷量の違いによるターミネーション領域3の内部状態の変化のシミュレーション結果を示す。正電荷14が少ない状態と、正電荷14が多い状態を比較すると、500Vの時点では、正電荷が多い状態で空乏層端15がアクティブ領域側へ進んでおり、1500Vでは正電荷が多い状態と正電荷が少ない状態で空乏層端15に変わりはないが、3000Vになると、再び正電荷が多い状態で空乏層端15がアクティブ領域側へ進んでいる。正電荷14の量が増加すると、空乏層端15がアクティブ領域側へ拡がりやすくなり、この空乏層拡がりの差が図5Aで示した容量変動12と容量変動13として特性に現れている。つまり、高温下において逆方向電圧を長時間印加した前後で容量差が生じなければターミネーション領域3において電荷変動が生じていないことになる。図5Bでは初期と電圧印加後で容量が変動していないため、電荷変動が生じておらず、ドリフト層102の表面を削った上に誘電層107を形成した構造が電荷変動抑制に効果があるといえる。
FIG. 6 shows a simulation result of a change in the internal state of the
SiCパワー半導体のプロセスでは、表面の不純物層を取り除くために、熱酸化でSiC表面に酸化シリコンを形成して取り除く犠牲酸化工程や、スイッチング素子においてゲート絶縁膜を形成する工程が存在する。この際、SiC表面上にC(炭素)の偏析層が形成され、この偏析層が電荷蓄積層として働くため、ドリフト層102の表面を削らずに誘電層107を形成した構造では電荷変動が生じたといえる。
In the process of the SiC power semiconductor, there are a sacrificial oxidation step in which silicon oxide is formed on the SiC surface by thermal oxidation to remove the impurity layer on the surface, and a step of forming a gate insulating film in the switching element. At this time, a C (carbon) segregation layer is formed on the SiC surface, and this segregation layer functions as a charge storage layer. Therefore, in the structure in which the
ドリフト層102の表面を削る効果はイオン注入プロファイルにも現れる。図7は、p型不純物領域103形成のためのイオン注入プロファイルを示す。一定の深さまで一定の濃度とするボックスプロファイルでは、ドリフト層102の表面付近のイオン注入濃度は低くなってしまう(17)。ドリフト層102の表面付近のイオン注入濃度が低いと、電荷変動による空乏層拡がり差が大きくなり、電界分布の変動が大きくなる。その結果、耐電圧変動が生じやすくなる。ドリフト層102の表面を削ることによって、イオン注入濃度が高い領域がドリフト層再表面となる。イオン注入プロファイルにおいて、不純物濃度が最も高い領域が段差部200(図2参照)の底面に対応することになる。この結果、電荷変動による空乏層拡がり差が生じにくくなる。このため、たとえ電荷蓄積層を取り除ききれず、電荷変動が生じてしまったとしても、その影響を最小限に抑えることができる。
The effect of scraping the surface of the
次に、図8〜図14を参照して、実施形態1に係る半導体装置の製造方法について説明する。 Next, with reference to FIGS. 8 to 14, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
最初に、図9に示すように、基板準備のステップを実施する(S121)。具体的は、n型不純物(例えば、N(窒素))がドープされた4H−SiCからなるn型のSiC基板101を用意する。続いて、SiC基板101の主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、SiC(炭化ケイ素)からなるn型のドリフト層102を含むエピタキシャル層を形成する。
First, as shown in FIG. 9, a substrate preparation step is performed (S121). Specifically, an n-
次に、図10に示すように、イオン注入のステップを実施する(S122)。具体的には、ドリフト層102の上面にp型不純物(例えば、Al(アルミニウム)またはB(ホウ素))をイオン注入することにより、p型半導体領域103を形成する。イオン注入時のマスクは、例えば、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成した酸化シリコン膜またはフォトレジスト膜を用いる。
Next, as shown in FIG. 10, an ion implantation step is performed (S122). Specifically, the p-
次に、図11に示すように、不純物活性化のステップを実施する(S123)。具体的には、酸化シリコン膜を除去し、不純物活性化アニールのキャップ材として炭素膜104を堆積した後、不純物活性化アニールを施す。この不純物活性化アニールの温度は、例えば、1550〜1800℃である。
Next, as shown in FIG. 11, an impurity activation step is performed (S123). Specifically, after removing the silicon oxide film and depositing a
次に、酸化工程のステップを実施する(S124)。具体的には、キャップ材の炭素膜104を酸素プラズマアッシング等により除去した後、清浄な表面を得るために、エピタキシャル層の表面に熱酸化法等により酸化膜を形成し、この酸化膜を除去する。スイッチング素子の場合、この後、ゲート酸化膜を形成するための酸化工程やゲート絶縁膜を形成する。この酸化工程(S124)で、エピタキシャル層の表面に電荷蓄積層が形成される。
Next, an oxidation step is performed (S124). Specifically, after removing the
次に、図12に示すように、炭化珪素エッチングのステップを実施する(S125)。具体的には、ターミネーション領域3のドリフト層102の表面(p型半導体領域103の表面)をスパッタエッチで削る。この結果、炭化珪素エッチング領域105が図2に示す段差部200として形成される。この炭化珪素エッチングにより、酸化工程(S124)で形成された電荷蓄積層が取り除かれる。この際、ドリフト層102の表面はドライエッチングで削ってもよい。
Next, as shown in FIG. 12, a silicon carbide etching step is performed (S125). Specifically, the surface of the
次に、図13に示すように、表面電極形成のステップを実施する(S126)。具体的には、p型半導体領域103aの表面に表面電極106を形成する。例えば、スパッタリング法等により、ドリフト層102の上面から上方に向かって順に、Ti(チタン)膜、TiN膜、Al膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 13, a surface electrode forming step is performed (S126). Specifically, the
次に、図14に示すように、次に、誘電層形成のステップを実施する(S127)。具体的には、炭化珪素エッチング(S125)で形成された炭化珪素エッチング領域105及び表面電極形成(S126)で形成された表面電極106を覆うように、誘電層107を形成する。ここで、誘電層107として、例えば、樹脂や酸化シリコンを用いる。
Next, as shown in FIG. 14, next, a step of forming a dielectric layer is performed (S127). Specifically,
次に、裏面電極形成のステップ(S128)を実施する。具体的には、図2に示すように、SiC基板101の第2主面に裏面電極108を形成する。これにより、図2に示す半導体装置が完成する。ここで、裏面電極108は、例えば、SiC基板101の底面から下方に向かって順に、Ti(チタン)膜、Ni(ニッケル)膜およびAu(金)膜を形成した積層膜からなる裏面電極である。
Next, a back electrode forming step (S128) is performed. Specifically, as shown in FIG. 2,
ここで、図15を参照して、図8に示す半導体装置の製造方法とは異なる半導体装置の製造方法について説明する。図8のステップと図15のステップで異なる点は、表面電極形成のステップと炭化珪素エッチングのステップの順序が入れ替わっている点である。実施形態1による効果は、酸化工程(S124)の後であって誘電層107を形成する前に、炭化珪素エッチングを実施することで得ることができる。このため、図15のように、ステップが入れ替わったとしても、実施形態1と同様な効果が得られる。
Here, a method for manufacturing a semiconductor device different from the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 8 will be described with reference to FIG. The difference between the step of FIG. 8 and the step of FIG. 15 is that the order of the surface electrode forming step and the silicon carbide etching step is interchanged. The effect of the first embodiment can be obtained by performing silicon carbide etching after the oxidation step (S124) and before forming the
図16及び図17を参照して、実施形態2に係る半導体装置について説明する。図16に示すように、実施形態2が実施形態1(図2参照)と異なる点は、誘電層107と表面が削られたp型半導体領域103との間に絶縁膜110が形成されている点と、表面電極106の端部が絶縁膜110の上に乗り上げている点である。図16に示す構成を採用することにより、ドリフト層102の表面から表面電極106の端部までの距離が長くなるため、表面電極106の端部に電界集中した際の破壊が生じにくくなる。尚、図16に示すように、絶縁膜110はターミネーション領域3の全体に形成されていなくてもよい。つまり、図17に示すように、絶縁膜110はターミネーション領域3の一部に形成されてもよい。その他の半導体装置の構成は、実施形態1に係る半導体装置の構成(図2参照)とほぼ同じなのでその説明は省略する。
A semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 16, the second embodiment is different from the first embodiment (see FIG. 2) in that an insulating
次に、図18を参照して、実施形態2に係る半導体装置の製造方法について説明する。実施形態2に係る半導体装置の製造方法が、実施形態1に係る半導体装置の製造方法(図8参照)と異なる点は、炭化珪素エッチングのステップ(S135)の後に、絶縁膜形成のステップ(S136)がある点である。その他の半導体装置の製造方法は、実施形態1に係る半導体装置の製造方法(図8参照)とほぼ同じなのでその説明は省略する。
Next, with reference to FIG. 18, the manufacturing method of the semiconductor
図19を参照して、実施形態3に係る電力変換装置について説明する。実施形態1または実施形態2において説明した半導体装置は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などの自動車に利用することができる。つまり、モータ駆動用インバータなどの電力変換装置に使用することができる。図19に、実施形態1または実施形態2の半導体装置を用いた3相モータ駆動用インバータの回路図を示す。
With reference to FIG. 19, the power converter device which concerns on
図19に示すように、実施形態3に係る3相モータシステムは、モータ601、パワーモジュールであるインバータモジュール602および制御回路603を含んでいる。インバータモジュール602と制御回路603とで、電力変換装置を構成する。モータ601は位相の異なる3相の電圧により駆動される。
As illustrated in FIG. 19, the three-phase motor system according to the third embodiment includes a
インバータモジュール602は、実施形態1または実施形態2で説明したターミネーション領域3を有するスイッチング素子604と、実施形態1または実施形態2で説明したターミネーション領域3を有するダイオード605を有している。
The
インバータモジュール602は、端子606〜端子612を有している。インバータモジュール602では、3相のうちの各単相において、電源電位(Vd)とモータ601の入力電位との間に、端子607〜端子610を介して、スイッチング素子604と還流ダイオードとして働くダイオード605が逆並列に接続されており、モータ601の入力電位と接地電位(GND)との間にも、端子607〜610を介して、スイッチング素子604とダイオード605が逆並列に接続されている。
The
このように、モータ601に接続される単相毎に実施形態1または実施形態2で説明したターミネーション領域3を有するスイッチング素子604とダイオード605が逆並列に接続されている。したがって、インバータモジュール602では、3相で合計12チップが設けられている。配線の図示を一部省略しているが、各チップのゲート電極には、端子612〜613などを介して、制御回路603が接続されており、制御回路603によって、各チップのMOSFETが制御される。実施形態3の三相モータシステムでは、インバータモジュール602の各チップのMOSFETを流れる電流を、制御回路603によって制御することによりモータ601を回転させる。
As described above, the switching
実施形態1または実施形態2に係るターミネーション領域3を有する半導体装置を用いることで、耐電圧特性が変化しないパワーモジュールおよび電力変換装置を提供することができる。
By using the semiconductor device having the
なお、実施形態1または実施形態2で説明したターミネーション領域3を有する半導体装置は、上述のインバータに限らず、後述するコンバータにも用いることができる。
Note that the semiconductor device having the
図20を参照して、実施形態4に係る電力変換装置について説明する。実施形態1または実施形態2に係るターミネーション領域3を有する半導体装置は、鉄道車両などに使用されるコンバータおよびインバータからなる交流−直流−交流変換装置等の電力変換回路に使用することができる。以下に、図20を参照して実施形態4の鉄道車両について説明する。
With reference to FIG. 20, the power converter device which concerns on
図20は、本実施形態4の鉄道車両を構成するコンバータおよびインバータの模式的な回路図である。図20では、コンバータモジュール706およびインバータモジュール702を構成する回路を簡略化して示している。インバータモジュール702は、図19に示すインバータモジュール602と同様の構造を有している。また、図20では、鉄道車両の構造の図示を省略し、コンバータモジュール706およびインバータモジュール702を含む電力変換回路を示している。
FIG. 20 is a schematic circuit diagram of a converter and an inverter constituting the railway vehicle of the fourth embodiment. In FIG. 20, circuits constituting the
図20に示すように、実施形態4の鉄道車両には、例えば、25kVの電圧を供給する架線711から、鉄道車両に設けられたパンタグラフ710を介して電力が供給される。これにより架線711を流れる電流は、鉄道車両内のトランス708を通り、鉄道車両の車輪709を介して、線路712へ流れる。鉄道車両には、トランス708、コンバータモジュール706、キャパシタ707、インバータモジュール702およびモータ701が備えられている。ここで、モータ701は3相モータである。
As shown in FIG. 20, power is supplied to the railway vehicle of the fourth embodiment from, for example, an
電圧がトランス708に印加されると、トランス708を介して電圧が1.5kVまで降圧され、鉄道車両内においてトランス708に接続されたコンバータモジュール706で、電圧が交流から直流に変換される。この電圧は、キャパシタ707を介してインバータモジュール702において直流から交流に変換されてモータ701を駆動する。コンバータモジュール706内およびインバータモジュール702内のスイッチング素子704およびダイオード705の構成は、図19に示す実施形態3のスイッチング素子604とダイオード605と同様である。
When the voltage is applied to the
コンバータモジュール706およびインバータモジュール702に用いるスイッチング素子704およびダイオード705として、実施形態1または実施形態2に係るターミネーション領域3を有する半導体装置を用いる。これにより、実施形態3と同様に、耐電圧特性が変化しない交流−直流−交流変換装置を提供できる。
As the
上記実施形態によれば、ターミネーション領域における電荷変動を抑制したSiCパワー半導体装置を提供することができる。また、電荷変動しても耐電圧特性が変化しにくいSiCパワー半導体装置を提供することができる。 According to the embodiment, it is possible to provide an SiC power semiconductor device in which charge fluctuation in the termination region is suppressed. In addition, it is possible to provide a SiC power semiconductor device in which the withstand voltage characteristic is unlikely to change even if the charge fluctuates.
1 半導体チップ
2 アクティブ領域
3 ターミネーション領域
101 SiC基板
102 ドリフト層
103 p型不純物領域
104 炭素膜
105 炭化珪素エッチング領域
106 表面電極
107 誘電層
108 裏面電極
109 離散p型領域
110 絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ターミネーション領域は、
前記炭化珪素基板上に形成され、表面に段差部を有するドリフト層と、
前記ドリフト層の表面に、前記段差部を覆うように形成された誘電層と、
を有することを特徴とする半導体装置。 An active region formed on the silicon carbide substrate, and a termination region formed around the active region,
The termination region is
A drift layer formed on the silicon carbide substrate and having a stepped portion on the surface;
A dielectric layer formed on the surface of the drift layer so as to cover the stepped portion;
A semiconductor device comprising:
前記段差部は、前記不純物領域に対して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 An impurity region is formed on the upper surface of the drift layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the step portion is formed with respect to the impurity region.
前記不純物濃度プロファイルにおいて、不純物濃度が最も高い領域が前記段差部の底面に対応することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The impurity region has a predetermined impurity concentration profile;
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein in the impurity concentration profile, a region having the highest impurity concentration corresponds to a bottom surface of the step portion.
前記ターミネーション領域において、
前記炭化珪素基板上にドリフト層を形成するドリフト層形成工程と、
前記ドリフト層の表面に対して酸化処理を行う酸化工程と、
前記ドリフト層の表面をエッチングすることにより段差部を形成するエッチング工程と、
前記エッチングにより形成された前記段差部を覆うように誘電層を形成する誘電層形成工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a termination region around an active region,
In the termination region,
A drift layer forming step of forming a drift layer on the silicon carbide substrate;
An oxidation step of oxidizing the surface of the drift layer;
An etching step of forming a stepped portion by etching the surface of the drift layer;
A dielectric layer forming step of forming a dielectric layer so as to cover the stepped portion formed by the etching;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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