JP2018205251A - 炭化珪素半導体装置の選別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、信頼性が低下することない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる炭化珪素半導体装置の選別方法を提供する。【解決手段】ＭＯＳゲート構造を有する炭化珪素半導体装置と、炭化珪素半導体装置に逆並列に接続されたダイオードと、を備えるインバータ回路に用いられる炭化珪素半導体装置を選別する。炭化珪素半導体装置の温度を２３５℃以上３００℃以下に設定し、炭化珪素半導体装置に周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を流す。次に、炭化珪素半導体装置の順方向電圧を測定し、炭化珪素半導体装置の順方向電圧の変化率を算出し、算出した変化率が３％より低い炭化珪素半導体装置を選別する。【選択図】図１

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の選別方法に関する。

従来、高電圧や大電流を制御するパワー半導体装置の構成材料として、シリコン（Ｓｉ）が用いられている。パワー半導体装置は、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）など複数種類あり、これらは用途に合わせて使い分けられている。

例えば、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴに比べて電流密度は高く大電流化が可能であるが、高速にスイッチングさせることができない。具体的には、バイポーラトランジスタは数ｋＨｚ程度のスイッチング周波数での使用が限界であり、ＩＧＢＴは数十ｋＨｚ程度のスイッチング周波数での使用が限界である。一方、パワーＭＯＳＦＥＴは、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴに比べて電流密度が低く大電流化が難しいが、数ＭＨｚ程度までの高速スイッチング動作が可能である。

しかしながら、市場では大電流と高速性とを兼ね備えたパワー半導体装置への要求が強く、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴはその改良に力が注がれ、現在ではほぼ材料限界に近いところまで開発が進んでいる。パワー半導体装置の観点からシリコンに代わる半導体材料が検討されており、低オン電圧、高速特性、高温特性に優れた次世代のパワー半導体装置を作製（製造）可能な半導体材料として炭化珪素（ＳｉＣ）が注目を集めている。

その背景には、ＳｉＣは化学的に非常に安定な材料であり、バンドギャップが３ｅＶと広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用できる。また、最大電界強度もシリコンより１桁以上大きいからである。ＳｉＣはシリコンにおける材料限界を超える可能性大であることからパワー半導体用途、特にＭＯＳＦＥＴでは今後の伸長が大きく期待される。特にそのオン抵抗が小さいことが期待されているが高耐圧特性を維持したままより一層の低オン抵抗を有する縦型ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが期待できる。

従来の炭化珪素半導体装置の構造について、縦型ＭＯＳＦＥＴを例に説明する。図５は、従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図５に示すように、ｎ⁺型炭化珪素基板１のおもて面にｎ型炭化珪素エピタキシャル層２が堆積され、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２の表面にｐ⁺型ベース領域３、ｐ型ベース層４が選択的に設けられる。また、ｐ型ベース層４の表面にｎ⁺型ソース領域５、ｐ⁺型コンタクト領域６、ｎ型ウェル領域７が選択的に設けられる。

ｐ型ベース層４およびｎ⁺型ソース領域５との表面に、ゲート絶縁膜８を介してゲート電極９が設けられている。また、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２、ｐ⁺型コンタクト領域６およびｎ⁺型ソース領域５の表面に、ソース電極１０が設けられている。また、ｎ⁺型炭化珪素基板１の裏面には、ドレイン電極１１が設けられている。

このような構造の縦型ＭＯＳＦＥＴは、ソース−ドレイン間にボディーダイオードとしてｐ⁺型ベース領域３とｎ型炭化珪素エピタキシャル層２とで形成される寄生ｐｎダイオードを内蔵する。この寄生ｐｎダイオードは、ソース電極１０に高電位を印加することで動作させることができ、図５において矢印Ａで示す方向に電流が流れる。このように、ＭＯＳＦＥＴではＩＧＢＴと異なり、寄生ｐｎダイオードを内蔵しているため、インバータに用いる還流ダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を省略することができ、低コスト化および小型化に貢献する。これ以降、ＭＯＳＦＥＴの寄生ｐｎダイオードを内蔵ダイオードと称する。

しかしながら、炭化珪素半導体装置では、ｎ⁺型炭化珪素基板１の結晶に欠陥がある場合がある。この場合、内蔵ダイオードに電流が流れると、ｐ⁺型コンタクト領域６からホールが注入され、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２またはｎ⁺型炭化珪素基板１中で電子およびホールの再結合が発生する。このときに発生するバンドギャップ相当の再結合エネルギー（３ｅＶ）により、ｎ⁺型炭化珪素基板１に存在する結晶欠陥の一種である基底面転位が移動し、２つの基底面転位に挟まれる積層欠陥が拡張する。

積層欠陥が拡張すると、積層欠陥は電流を流しにくいため、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗および内蔵ダイオードの順方向電圧が上昇する。このような動作が継続すると積層欠陥は累積的に拡張するため、インバータ回路に発生する損失は経時的に増加し、発熱量も大きくなるため、装置故障の原因となる。この問題を防ぐためにＭＯＳＦＥＴと逆並列にＳｉＣ−ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ショットキーバリアダイオード）を接続し、電流がＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに流れないように対策することができる。

図６は、従来の炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを用いたインバータ回路の一例を示す図である。インバータ回路は、複数のＭＯＳＦＥＴ（図６では４つのＭＯＳＦＥＴ２１、２２、２３、２４）を備え、モータ等の負荷２５を駆動するための回路である。図６において、ダイオード２６、２７、２８、２９は、それぞれＭＯＳＦＥＴ２１、２２、２３、２４の内蔵ダイオードを示す。また、ダイオード３０、３１、３２、３３は、それぞれＭＯＳＦＥＴ２１、２２、２３、２４と逆並列に接続されたＳｉＣ−ＳＢＤを示す。図６では、インバータ回路の２相分、つまり直列に接続されたＭＯＳＦＥＴの２つのセットのみを示している。

図６に示すインバータ回路において、入力回路３４からの信号によりＭＯＳＦＥＴ２１、２４をオンすることで、矢印Ｂの方向に、負荷２５に電流を流すことができる。この後、入力回路３４からの信号によりＭＯＳＦＥＴ２１、２４をオフにし、ＭＯＳＦＥＴ２２、２３をオンにすることで、矢印Ｃの方向に、負荷２５に電流を流すことができる。このようにして、電流の向きを変えることで、例えば、負荷２５のモータに接続されたアームを左右に動かすことができる。

ここで、ＭＯＳＦＥＴ２１、２４がオフであるとき、ＭＯＳＦＥＴ２１、２４には、還流電流が矢印Ｂと逆方向に流れる。還流電流は、閾値電圧Ｖｆが低いＳｉＣ−ＳＢＤ３０、３３に流れて、内蔵ダイオード２６、２９には流れなくなる。ＭＯＳＦＥＴ２２、２３も同様に、内蔵ダイオード２７、２８には流れなくなる。このように、ＭＯＳＦＥＴがオフのとき、内蔵ダイオードに還流電流が流れることがないため、ＭＯＳＦＥＴの積層欠陥が拡張することがなくなる。

炭化珪素半導体装置の通電検査装置として、バイポーラ半導体素子の温度を１５０℃以上２３０℃以下に設定して、電流密度が１２０Ａ／ｃｍ²以上４００Ａ／ｃｍ²以下の順方向電流を継続して流し、順方向抵抗が飽和状態になった場合に、順方向抵抗の変化度合いが閾値未満であるか否かで判定する技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。また、炭化珪素半導体装置の検査方法として、ダイオードにパルス電流を流し、パルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求め、オン抵抗のパルス電流を流す前後における変化に基いて半導体装置の不良を判定する技術が公知である（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２０１４／１４８２９４号公報 特開２０１５−６５２５０号公報

しかしながら、図６のようにＳｉＣ−ＳＢＤをＭＯＳＦＥＴと逆並列に接続された場合でも、ＭＯＳＦＥＴがオンからオフに切り替わった瞬間に、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに電流が流れる場合があり、ＭＯＳＦＥＴの積層欠陥が拡張することがある。図７は、インバータ回路のダイオードに流れる電流の時間的変化を示すグラフである。図７において、横軸は時間を示し、縦軸は電流を示す。図７のＩ１は、内蔵ダイオードに流れる電流を示し、Ｉ２は、ＳｉＣ−ＳＢＤに流れる電流を示し、Ｉ３は、内蔵ダイオードとＳｉＣ−ＳＢＤに流れる電流の合計を示す。

図７では、ＭＯＳＦＥＴが時間Ｔにおいてオンからオフにされた場合の電流の時間的変化を示す。図７に示すように、ＭＯＳＦＥＴがオフになるとＳｉＣ−ＳＢＤに流れる電流Ｉ２は徐々に増加して、一定の値に落ち着く。内蔵ダイオードに流れる電流Ｉ１は、ＭＯＳＦＥＴがオフになった直後から増加し、この後徐々に減少して、０に落ち着く。

このように、内蔵ダイオードに流れる電流Ｉ１は常に０ではなく、ＭＯＳＦＥＴがオンからオフにされた過渡状態の短い期間だけ流れる。以下、この電流を過渡電流と称する。図８は、インバータ回路における炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのオンオフを示すグラフである。図８において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図８に示すように、内蔵ダイオードに過渡電流が流れる時間ｔ１は、過渡電流が流れない時間ｔ２に比べると短い時間である。具体的には、過渡電流が流れる時間ｔ１は、ＭＯＳＦＥＴがオフになった後の数ｎｓ程度である。しかし、ＭＯＳＦＥＴは高速でスイッチング、例えば、数ＭＨｚでスイッチングするため、長時間使用し続ける内に過渡電流が流れる時間の総和が無視できない量になる。ＭＯＳＦＥＴの炭化珪素基板の結晶の欠陥量によっては、過渡電流によって積層欠陥が拡張するようになり、ＭＯＳＦＥＴの信頼性が低下してしまう。

上述したようにＳｉＣは、高温特性に優れた半導体材料である。このため、炭化珪素半導体装置は、２３０℃以上の高温でも使用可能である。しかしながら、炭化珪素半導体装置と基板とをワイヤボンディングで接続したパワー半導体モジュールでは、２３０℃以上で動作させると、はんだの劣化等が始まり、炭化珪素半導体装置の特性が劣化してしまう場合があり、従来、このような温度で動作させることは少なかった。

これに対して、導電接合層により金属端子（インプラントピン）を備えたインプラント方式プリント基板をパワー半導体モジュールに用いられるようになってきた。インプラント方式では、ワイヤボンディングと異なり２３０℃以上の高温でも劣化が無いため、炭化珪素半導体装置は、２３０℃以上の高温で動作させることができる。

ここで、炭化珪素半導体装置を高温で動作できると、炭化珪素半導体装置を高スイッチング周波数、例えば、１０ＭＨｚ以上で動作させることができる。このように高周波数で動作させると、インバータ回路の負荷、例えば、モータ等を小型化でき、装置全体の小型化が可能になる。

しかしながら、炭化珪素半導体装置を２３０℃以上の高温で動作させると、炭化珪素半導体装置の炭化珪素基板によっては、これ以下の温度で成長する欠陥と異なる欠陥が成長してしまい、炭化珪素半導体装置の信頼性が低下してしまう。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、信頼性が低下することのない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる炭化珪素半導体装置の選別方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、次の特徴を有する。ＭＯＳゲート構造を有する炭化珪素半導体装置と、前記炭化珪素半導体装置に逆並列に接続されたダイオードと、を備えるインバータ回路に用いられる前記炭化珪素半導体装置の選別方法であって、まず、前記炭化珪素半導体装置の温度を２３５℃以上３００℃以下に設定する第１工程を行う。次に、前記炭化珪素半導体装置に周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を流す第２工程を行う。次に、前記炭化珪素半導体装置の順方向電圧を測定する第３工程を行う。次に、前記測定した順方向電圧から前記炭化珪素半導体装置の順方向電圧の変化率を算出する第４工程を行う。次に、前記算出した変化率が３％より低い前記炭化珪素半導体装置を選別する第５工程を行う。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記第２工程では、前記炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードに順方向電流を流し、前記第３工程では、前記炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードの順方向電圧を測定し、前記第４工程では、前記炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードの順方向電圧の変化率を算出することを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記第５工程では、前記算出した変化率が飽和し、かつ、前記算出した変化率が３％より低い前記炭化珪素半導体装置を選別することを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記ダイオードは、炭化珪素ショットキーバリアダイオードであることを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板のおもて面に第１導電型の第１半導体層が設けられる。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半導体層が設けられる。前記第２半導体層の内部に選択的に、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半導体領域が設けられる。前記第２半導体層に接触するゲート絶縁膜が設けられる。前記ゲート絶縁膜の前記第２半導体層と接触する面と反対側の表面にゲート電極が設けられる。前記第１半導体領域と前記第２半導体層の表面に第１電極が設けられる。前記炭化珪素基板の裏面に第２電極が設けられる。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体装置は、前記第２半導体層を貫通して、前記第１半導体層に達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絶縁膜を介して設けられていることを特徴とする。

上述した発明によれば、炭化珪素半導体装置を２３５℃以上３００℃以下に設定し、周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を流し、順方向電圧の変化率が３％より低い炭化珪素半導体装置を選別している。これにより、炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、基板の積層欠陥が成長するが少なく、炭化珪素半導体装置の特性が劣化しない。このため、高温時でも信頼性が低下することない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる。

炭化珪素半導体装置を高温で動作できるため、炭化珪素半導体装置を高スイッチング周波数、例えば、１０ｋＨｚ以上で動作できる。このため、インバータ回路の負荷、例えば、モータ等を小型化でき、装置全体を小型化することができる。

また、選別にかかる時間は、順方向電圧の変化率が３％を超えるまで、または順方向電圧の変化率が飽和するまでの短い時間である。このため、短い時間で炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる。

本発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法によれば、炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、信頼性が低下することのない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできるという効果を奏する。

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法を示すフローチャートである。 ２４０℃でのＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードにおける電流密度と順方向電圧の変化率との関係を示すグラフである。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法の例を示すグラフである。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の他の構造を示す断面図である。 従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。 従来の炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを用いたインバータ回路の一例を示す図である。 インバータ回路のダイオードに流れる電流の時間的変化を示すグラフである。 インバータ回路における炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのオンオフを示すグラフである。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法を示すフローチャートである。以下では、炭化珪素半導体装置として、ＭＯＳＦＥＴを例に説明するが、ＭＯＳゲート構造を有する他の炭化珪素半導体装置でも同様である。炭化珪素半導体装置の選別方法において、まず、ＭＯＳＦＥＴの温度を設定する（ステップＳ１）。

実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴの温度を２３５℃以上３００℃以下に設定する。２３０℃以上で使用できるＭＯＳＦＥＴを選別するため、マージンを取って最低温度を２３５℃以上としている。また、３００℃より高いと、半導体モジュールに用いられる高温はんだが耐えられなくなるためである。はんだの濡れ性を考慮すると２７０℃以下に設定することが好ましい。

また、ＭＯＳＦＥＴの温度の設定は、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに通電することにより行うことができる。例えば、一定の電流密度の順方向電流をＭＯＳＦＥＴが上記の温度範囲になるまで通電することにより行う。ここで、順方向電流とは、ソース電極からドレイン電極に流れる電流のことである。

次に、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに順方向電流を通電する（ステップＳ２）。具体的は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極とソース電極を短絡させ、ソース電極に正の電圧を印加し、ドレイン電極の電位を０にする。また、実施の形態では、周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を流す。

ここで、図２は、２４０℃でのＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードにおける電流密度と順方向電圧の変化率との関係を示すグラフである。図２において、横軸は内蔵ダイオードに流す電流密度であり、単位はＡ／ｃｍ²である。縦軸は、順方向電圧の変化率であり、単位は％である。図２に示すように、電流密度が高くなると順方向電圧の変化率が大きくなる。順方向電圧の変化率が大きくなることは、基板の積層欠陥が成長してオン抵抗が大きくなることである。このように、ＭＯＳＦＥＴの不良を検出するには電流密度を高くした方がよい。

次に、初期状態の順方向電圧を測定する（ステップＳ３）。基板の積層欠陥の成長を順方向電圧の変化で判断するため、初期状態の順方向電圧を測定しておく。具体的には、ソース電極とドレイン電極間の電圧を測定する。ここで測定した電圧をＶ０とする。次に、所定時間待機する（ステップＳ４）。基板に欠陥がある場合に積層欠陥が成長するのを待つ。ここで、所定時間は１分程度でよい。

次に、順方向電圧を測定する（ステップＳ５）。ここで測定した電圧をＶ１とする。次に、順方向電圧の変化率を算出する（ステップＳ６）。順方向電圧の変化率とは、初期状態での順方向電圧からの変化率である。例えば、順方向電圧の変化率は、ステップＳ４の所定時間をＴとすると、（Ｖ１−Ｖ０）／ｎＴで算出できる。ここで、ｎはステップＳ６を実行した回数である。

次に、順方向電圧の変化率≧０．０３（３％以上）であるか否かを判定する（ステップＳ７）。ここで、順方向電圧の変化率≧０．０３でないと判定した場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、順方向電圧の変化率が変化無しか否かを判定する（ステップＳ８）。ここで、順方向電圧の変化率が変化することは、基板の積層欠陥が成長してオン抵抗が増加していることを意味する。積層欠陥がさらに成長して、順方向電圧の変化率≧０．０３となる可能性があるため、順方向電圧の測定をさらに続ける。このため、順方向電圧の変化率が変化無しではない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、ステップＳ４に戻り、再度順方向電圧の測定、順方向電圧の変化率の判定を行う。なお、最初にステップＳ８を行う場合、順方向電圧の変化率の算出が１回しかなく、順方向電圧の変化率が変化してないかの判定ができないため、変化していると見なし、ステップＳ４に戻る。

次に、順方向電圧の変化率が変化無しの場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、順方向電圧の変化が飽和して、順方向電圧の変化率＜０．０３（３％未満）でこれ以上順方向電圧が増加しない場合であるため、ＭＯＳＦＥＴを適格品として選別する（ステップＳ９）。一方、順方向電圧の変化率≧０．０３と判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、ＭＯＳＦＥＴを不適格品として選別する（ステップＳ１０）。このように、実施の形態では、順方向電圧の変化率が３％を超えるまで、または順方向電圧の変化率が飽和するまでの短い時間でＭＯＳＦＥＴを選別することができる。また、ここでは、順方向電圧の変化率の飽和を、順方向電圧の変化率が１回変化しないことより判断しているが、順方向電圧の変化率が複数回変化しないことにより判断してもよい。

ここで、順方向電圧の変化率が３％以上のＭＯＳＦＥＴを、当該ＭＯＳＦＥＴと逆並列にＳｉＣ−ＳＢＤを接続したインバータ回路に用いて、高温で長期間運用すると、基板の積層欠陥が成長して、ＭＯＳＦＥＴの特性が劣化する。このため、このＭＯＳＦＥＴを不適格品として判断している。一方、順方向電圧の変化率が３％未満で、これ以上順方向電圧の変化率が変化しないＭＯＳＦＥＴを、上記インバータ回路に用いて２３０℃以上の高温で長期間運用しても、基板の積層欠陥の成長が少なく、ＭＯＳＦＥＴの特性が劣化することなく、長期間の使用に耐えることができる。

なお、本フローチャートでは、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに電流を流し、内蔵ダイオードの順方向電圧を測定したが、ＭＯＳＦＥＴに電流を流し、ＭＯＳＦＥＴの順方向電圧を測定してもよい。具体的には、ソース電極１０に対しドレイン電極１１に正の電圧が印加された状態で、ゲート電極９にゲート閾値以上の電圧を印加して、ＭＯＳＦＥＴに電流を流し、ソース電極１０とドレイン電極１１との間の順方向電圧を測定する。

これにより、本フローチャートによる一連の処理は終了する。本フローチャートを実行することにより、ＭＯＳＦＥＴにダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、信頼性が低下することないＭＯＳＦＥＴをスクリーニングできる。

次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置について説明する。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造は、従来の炭化珪素半導体装置の構造（図５参照）と同等であるため、図示を省略する。

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、ｎ⁺型炭化珪素基板（炭化珪素基板）１の主面（おもて面）上にｎ型炭化珪素エピタキシャル層（第１導電型の第１半導体層）２が堆積されている。

ｎ⁺型炭化珪素基板１は、例えば窒素（Ｎ）がドーピングされた炭化珪素単結晶基板である。ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２は、ｎ⁺型炭化珪素基板１よりも低い不純物濃度で例えば窒素がドーピングされてなる低濃度ｎ型ドリフト層である。以下、ｎ⁺型炭化珪素基板１単体、またはｎ⁺型炭化珪素基板１とｎ型炭化珪素エピタキシャル層２を併せて炭化珪素半導体基体とする。

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、ドレイン領域となるｎ⁺型炭化珪素基板１のｎ型炭化珪素エピタキシャル層２側に対して反対側の表面（炭化珪素半導体基体の裏面）には、ドレイン電極（第２電極）１１が設けられている。また、外部装置と接続するためのドレイン電極パッド（不図示）が設けられている。

炭化珪素半導体基体のおもて面側には、ＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）ゲート構造（素子構造）が形成されている。具体的には、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２のｎ⁺型炭化珪素基板１側に対して反対側（炭化珪素半導体基体のおもて面側）の表面層には、ｐ⁺型ベース層（第２導電型の第２半導体層）３が選択的に設けられている。ｐ⁺型ベース層３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）がドーピングされている。

ｐ⁺型ベース層３、および当該隣り合うｐ⁺型ベース層３に挟まれたｎ型炭化珪素エピタキシャル層２の表面には、ｐ型炭化珪素エピタキシャル層（以下、ｐ型ベース層とする）４が選択的に堆積されている。ｐ型ベース層４の不純物濃度は、ｐ⁺型ベース層３の不純物濃度よりも低い。ｐ型ベース層４は、例えばアルミニウムがドーピングされている。

ｐ⁺型ベース層３上のｐ型ベース層４の表面には、ｎ⁺型ソース領域（第１導電型の第１半導体領域）５およびｐ⁺型コンタクト領域６が設けられている。また、ｎ⁺型ソース領域５およびｐ⁺型コンタクト領域６は互いに接する。ｎ⁺型ソース領域５は、ｐ⁺型コンタクト領域６の外周に配置されている。

また、ｐ型ベース層４の、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２上の部分には、深さ方向にｐ型ベース層４を貫通しｎ型炭化珪素エピタキシャル層２に達するｎ型ウェル領域７が設けられている。ｎ型ウェル領域７は、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２とともにドリフト領域を構成する。ｐ型ベース層４の、ｎ⁺型ソース領域５とｎ型ウェル領域７とに挟まれた部分の表面には、ゲート絶縁膜８を介してゲート電極９が設けられている。ゲート電極９は、ゲート絶縁膜８を介して、ｎ型ウェル領域７の表面に設けられていてもよい。

層間絶縁膜（不図示）は、炭化珪素半導体基体のおもて面側の全面に、ゲート電極９を覆うように設けられている。ソース電極（第１電極）１０は、層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールを介して、ｎ⁺型ソース領域５およびｐ⁺型コンタクト領域６に接する。ソース電極１０は、層間絶縁膜によって、ゲート電極９と電気的に絶縁されている。ソース電極１０上には、電極パッド（不図示）が設けられている。

図３は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法の例を示すグラフである。図３において、横軸は電流印加時間を示し、縦軸は順方向電圧の変化率を示し、単位は％である。ここで、図３の例１は、不適格品の例であり、例２は、適格品の例である。

最初に例１の場合を説明する。ＭＯＳＦＥＴの温度を２３５℃以上３００℃以下にして、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を通電する。次に、時刻ｔ０で順方向電圧の初期値を測定する。次に、所定時間待機した後、時刻ｔ１で順方向電圧を測定し、順方向電圧の変化率を算出する。時刻ｔ１で算出した順方向電圧の変化率は３％以下であり、最初の順方向電圧の算出であるため、所定時間待機した後、時刻ｔ２で順方向電圧を測定し、順方向電圧の変化率を算出する。時刻ｔ２で算出した順方向電圧の変化率は３％以下であり、時刻ｔ１の変化率と比較して、変化率が変化しているため、所定時間待機した後、時刻ｔ３で順方向電圧を測定し、順方向電圧の変化率を算出する。ここで、時刻ｔ３で算出した順方向電圧の変化率は３％を超えるため、当該ＭＯＳＦＥＴを不適格品と選別する。

次に例２の場合を説明する。例１の場合と同様にＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードに順方向電流を通電し、時刻ｔ０で順方向電圧の初期値を測定する。次に、所定時間待機した後、時刻ｔ１で順方向電圧を測定し、順方向電圧の変化率を算出する。時刻ｔ１で算出した順方向電圧の変化率は３％以下であり、最初の順方向電圧の算出であるため、所定時間待機した後、時刻ｔ２で順方向電圧を測定し、順方向電圧の変化率を算出する。時刻ｔ２で算出した順方向電圧の変化率は３％以下であり、時刻ｔ１の変化率と比較して、変化率が変化しているため、所定時間待機した後、時刻ｔ３で順方向電圧を測定し、順方向電圧の変化率を算出する。時刻ｔ３、ｔ４でも時刻ｔ２の場合と同様になる。一方、時刻ｔ５では、算出した順方向電圧の変化率は３％以下であり、時刻ｔ４の変化率と時刻ｔ５の変化率は等しく、変化していない。このため、測定を終了し、当該ＭＯＳＦＥＴを適格品と選別する。

図４は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の他の構造を示す断面図である。図４は、トレンチ構造を設けた縦型ＭＯＳＦＥＴである。縦型ＭＯＳＦＥＴでは、チャネルが基板表面に対して平行に形成されるプレーナー構造よりも基板表面に対して垂直に形成されるトレンチ構造の方が単位面積当たりのセル密度を増やすことができるため、単位面積当たりの電流密度を増やすことができ、コスト面から有利である。

図４において、炭化珪素半導体基体の第１主面側（ｐ型ベース層４側）には、トレンチ構造が形成されている。具体的には、トレンチ１８は、ｐ型ベース層４のｎ⁺型炭化珪素基板１側に対して反対側（炭化珪素半導体基体の第１主面側）の表面からｐ型ベース層４を貫通してｎ型炭化珪素エピタキシャル層２に達する。トレンチ１８の内壁に沿って、トレンチ１８の底部および側壁にゲート絶縁膜８が形成されており、トレンチ１８内のゲート絶縁膜８の内側にゲート電極９が形成されている。ゲート絶縁膜８によりゲート電極９が、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２およびｐ型ベース層４と絶縁されている。ゲート電極９の一部は、トレンチ１８の上方（ソース電極パッドが設けられている側）からソース電極パッド側に突出していてもよい。

ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２のｎ⁺型炭化珪素基板１側に対して反対側（炭化珪素半導体基体の第１主面側）の表面には、ｐ⁺型ベース領域３が選択的に設けられている。ｐ⁺型ベース領域３は、トレンチ１８の底部よりもドレイン側に深い位置にまで達している。ｐ⁺型ベース領域３の下端部（ドレイン側端部）は、トレンチ１８の底部よりもドレイン側に位置する。

また、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層２の内部には、第２ｐ⁺型領域３ａが選択的に設けられている。第２ｐ⁺型領域３ａは、トレンチ１８の底に接するように設けられている。第２ｐ⁺型領域３ａは、ｐ型ベース層４とｎ型炭化珪素エピタキシャル層２との界面よりもドレイン側に深い位置から、ｎ⁺型炭化珪素基板１とｎ型炭化珪素エピタキシャル層２との界面に達しない深さで設けられている。

図４に示すＭＯＳＦＥＴの他の構造は、図５に示すＭＯＳＦＥＴの構造と同様であるため、説明を省略する。トレンチ構造を設けた縦型ＭＯＳＦＥＴも、ｐ型ベース層４とｎ型炭化珪素エピタキシャル層２からなる内蔵ダイオードを有しているため、本発明の選別方法は有効である。

以上、説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法によれば、炭化珪素半導体装置の温度を２３５℃以上３００℃以下に設定し、周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を流し、順方向電圧の変化率が３％より低い炭化珪素半導体装置を選別している。これにより、炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で高温長時間使用しても、基板の積層欠陥が成長するが少なく、炭化珪素半導体装置の特性が劣化しない。このため、高温時でも信頼性が低下することない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる。

炭化珪素半導体装置を高温で動作できるため、炭化珪素半導体装置を高スイッチング周波数、例えば、１０ｋＨｚ以上で動作できる。このため、インバータ回路の負荷、例えば、モータ等を小型化でき、装置全体を小型化することができる。

また、選別にかかる時間は、順方向電圧の変化率が３％を超えるまで、または順方向電圧の変化率が飽和するまでの短い時間である。このため、実施の形態では短い時間で炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる。

実施の形態では、炭化珪素半導体装置にダイオードとして、ｉＣ−ＳＢＤを用いても、Ｓｉ−ＳＢＤを用いてもかまわない。インバータ装置の耐熱性のため、ＳｉＣ−ＳＢＤのほうが好ましい。また、ＳＢＤではなく、ＰＮダイオードでも可能である。

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。また、各実施の形態では第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、本発明は第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としても同様に成り立つ。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法には、炭化珪素半導体装置にダイオードを逆並列に接続したインバータ回路で用いられる炭化珪素半導体装置に有用である。

１ ｎ⁺型炭化珪素基板
２ ｎ型炭化珪素エピタキシャル層
３ ｐ⁺型ベース領域
３ａ 第２ｐ⁺型領域
４ ｐ型ベース層
５ ｎ⁺型ソース領域
６ ｐ⁺型コンタクト領域
７ ｎ型ウェル領域
８ ゲート絶縁膜
９ ゲート電極
１０ ソース電極
１１ ドレイン電極
１８ トレンチ
２１、２２、２３、２４ ＭＯＳＦＥＴ
２５ 負荷
２６、２７、２８、２９ 内蔵ダイオード
３０、３１、３２、３３ ＳｉＣ−ＳＢＤ
３４ 入力回路

Claims (6)

1. ＭＯＳゲート構造を有する炭化珪素半導体装置と、前記炭化珪素半導体装置に逆並列に接続されたダイオードと、を備えるインバータ回路に用いられる前記炭化珪素半導体装置の選別方法であって、
   前記炭化珪素半導体装置の温度を２３５℃以上３００℃以下に設定する第１工程と、
   前記炭化珪素半導体装置に周波数が１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の順方向電流を流す第２工程と、
   前記炭化珪素半導体装置の順方向電圧を測定する第３工程と、
   前記測定した順方向電圧から前記炭化珪素半導体装置の順方向電圧の変化率を算出する第４工程と、
   前記算出した変化率が３％より低い前記炭化珪素半導体装置を選別する第５工程と、
   を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の選別方法。
2. 前記第２工程では、前記炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードに順方向電流を流し、
   前記第３工程では、前記炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードの順方向電圧を測定し、
   前記第４工程では、前記炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードの順方向電圧の変化率を算出す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の選別方法。
3. 前記第５工程では、前記算出した変化率が飽和し、かつ、前記算出した変化率が３％より低い前記炭化珪素半導体装置を選別す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の選別方法。
4. 前記ダイオードは、炭化珪素ショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の選別方法。
5. 前記炭化珪素半導体装置は、
   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半導体層に接触するゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜の前記第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半導体領域と前記第２半導体層の表面に設けられた第１電極と、
   前記炭化珪素基板の裏面に設けられた第２電極と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の選別方法。
6. 前記炭化珪素半導体装置は、
   前記第２半導体層を貫通して、前記第１半導体層に達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絶縁膜を介して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体装置の選別方法。

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