JP6008145B2 - Power semiconductor device - Google Patents

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Description

この発明は、炭化珪素半導体装置などの電力用半導体装置に関する。   The present invention relates to a power semiconductor device such as a silicon carbide semiconductor device.

特許文献1に記載の電力用縦型金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)とダイオードで構成される電力用半導体装置は、同文献の図1及び図2に示されているように、MOSFETのセル領域の周縁部、すなわち、ゲートパッド部と隣接された領域にダイオードが少なくとも一列に配置されている。このようなダイオードの各々は、MOSFETがオン状態からオフ状態へスイッチングする際に、同文献の図2に示されるPウェル及びPベースからドレイン側のN型半導体層内に順方向バイアス時に注入されたホールを吸収する。このため、同文献の上記の構造は、MOSFETが順方向バイアスから逆方向バイアスに切り替わる際に、同文献の図3に示される寄生トランジスタがオンするのを防止することができる。   A power semiconductor device including a power vertical metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and a diode described in Patent Document 1 are shown in FIGS. 1 and 2 of the same document. As shown in FIG. 2, diodes are arranged in at least one row in the peripheral portion of the cell region of the MOSFET, that is, in the region adjacent to the gate pad portion. Each of these diodes is injected during forward bias into the N-type semiconductor layer on the drain side from the P well and P base shown in FIG. 2 when the MOSFET switches from the on state to the off state. Absorbs holes. For this reason, the above-mentioned structure of the same document can prevent the parasitic transistor shown in FIG. 3 of the same document from being turned on when the MOSFET is switched from the forward bias to the reverse bias.

ここで、同文献の上記構造においては、その図2に示されている様に、MOSFETのPウェルであるPベースが、バックゲートを介して、ソース電極に電気的に接続されている。   Here, in the structure of the same document, as shown in FIG. 2, the P base, which is the P well of the MOSFET, is electrically connected to the source electrode through the back gate.

特開平5−198816号公報(図1〜図3)JP-A-5-198816 (FIGS. 1 to 3)

本発明が解決すべき問題点を、特許文献1の図2に基づき以下に説明する。   The problem to be solved by the present invention will be described below with reference to FIG.

特許文献1に記載の電力用半導体装置のMOSFETをオン状態からオフ状態にスイッチングするときに、MOSFETのドレイン電圧、すなわち、ドレイン電極の電圧が急激に上昇し、場合によっては数百V程度にまで達することがある。このドレイン電圧の上昇により、オフ状態時になるとPウェルとN-ドレイン層との間にできる空乏層容量を介して、ドレイン電極側とソース電極側とにそれぞれ変位電流が発生する。この変位電流は、PウェルまたはPウェルと同様にP型の領域がN-ドレイン層中に設けられている箇所であれば、MOSFETのPウェルにだけでなくダイオードにも発生する。 When the MOSFET of the power semiconductor device described in Patent Document 1 is switched from the on state to the off state, the drain voltage of the MOSFET, that is, the voltage of the drain electrode rises rapidly, and in some cases reaches about several hundred volts. May reach. Due to the rise of the drain voltage, displacement currents are generated on the drain electrode side and the source electrode side via the depletion layer capacitance formed between the P well and the N drain layer in the off state. This displacement current is generated not only in the P well of the MOSFET but also in the diode if the P-type region is provided in the N drain layer like the P well or the P well.

このようにして発生した変位電流は、ドレイン電極側に発生したものはそのままドレイン電極に流れるが、ソース電極側に発生したものは、PウェルまたはP型の領域を経由してソース電極にまで流れる。   The displacement current generated in this way flows to the drain electrode as it is generated on the drain electrode side, but the displacement current generated on the source electrode side flows to the source electrode via the P-well or P-type region. .

特許文献1に示されるような電力用半導体装置の場合、その従来例の説明に記載されているようにソース電極とフィールドプレートとは電気的に接続されているので、例えば図2(C)に示される断面において、ゲートパッド下のPウェルに内に流れ込んだ変位電流は、ゲートパッド下のPウェル内をMOSFETセル方向からフィールドプレートに接続されているコンタクトホールに向けて流れ、フィールドプレートを介してソース電極に流入する。   In the case of a power semiconductor device as shown in Patent Document 1, the source electrode and the field plate are electrically connected as described in the description of the conventional example. In the cross section shown, the displacement current that has flowed into the P well under the gate pad flows in the P well under the gate pad from the MOSFET cell direction toward the contact hole connected to the field plate, and passes through the field plate. Flows into the source electrode.

ここで、MOSFETセルのPウェルとダイオードセルのPウェルの面積に対してゲートパッド下のPウェルの面積は非常に大きいので、ゲートパッド下のPウェルに変位電流が流れると、面積が大きなPウェル自体およびコンタクトホールにある程度大きな抵抗値の抵抗があるために、Pウェル内に無視し得ない値の電圧が発生する。その結果、Pウェルがフィールドプレートを介してソース電極(通常アース電位に接続される)と電気的に接続されている箇所(コンタクトホール)から平面方向の距離が大きなPウェル内の位置では比較的大きな電位が発生することになる。   Here, the area of the P well under the gate pad is very large with respect to the area of the P well of the MOSFET cell and the P well of the diode cell. Since the well itself and the contact hole have a resistance with a certain large resistance value, a voltage of a value that cannot be ignored is generated in the P well. As a result, at a position in the P well where the distance in the plane direction is large from a place (contact hole) where the P well is electrically connected to the source electrode (usually connected to the ground potential) via the field plate. A large potential will be generated.

この電位は、変位電流が大きくなる程大きくなり、上記ドレイン電圧Vの時間tに対する変動dV/dtが大きくなる程大きくなる。   This potential increases as the displacement current increases, and increases as the fluctuation dV / dt of the drain voltage V with respect to time t increases.

このようなMOSFETを備えた電力用半導体装置において、MOSFETのゲート絶縁膜がPウェルとゲート電極とに挟まれている箇所で、MOSFETをオン状態からオフ状態へスイッチングした直後にゲート電極の電圧が0V付近になったときに、前述のようにPウェルに高い電圧が発生し、その高電圧による高電界によってゲート絶縁膜が破壊される場合があった。   In a power semiconductor device including such a MOSFET, the voltage of the gate electrode is changed immediately after switching the MOSFET from the on state to the off state at a location where the gate insulating film of the MOSFET is sandwiched between the P well and the gate electrode. When the voltage is close to 0 V, a high voltage is generated in the P-well as described above, and the gate insulating film may be destroyed by a high electric field due to the high voltage.

この発明は、このような問題を解決するためになされたもので、高速でスイッチングするMOSFETを備えた電力用半導体装置において、スイッチング時におけるゲート電極とソース電極間の絶縁破壊の発生を抑制できる、信頼性の高い電力用半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention was made to solve such a problem, and in a power semiconductor device including a MOSFET that switches at high speed, the occurrence of dielectric breakdown between the gate electrode and the source electrode during switching can be suppressed. An object of the present invention is to provide a highly reliable power semiconductor device and a method for manufacturing the same.

本発明の電力用半導体装置は、炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、複数の第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、ドリフト層の表層の、第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、複数の第1ウェル領域とソース領域の上および第2ウェル領域上の第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、第2ウェル領域の上の第1ウェル領域側とは反対側に形成されゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上およびゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して第1ウェル領域と第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、を備え、第2ウェル領域の内ウェルコンタクトホールまでの距離が最も大きい位置(P)から最近接のウェルコンタクトホールの位置(Q)までの距離をxとし、直線PQ上でウェルコンタクトホールの位置(Q)からゲート絶縁膜とフィールド絶縁膜との境界(R)までの距離をxとして、doxをゲート絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εをドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nをドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態のドレイン電極の電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たすことを特徴とする。 A power semiconductor device of the present invention includes a silicon carbide semiconductor substrate, a drift layer formed on a first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, using a silicon carbide material of a first conductivity type, and a surface layer of the drift layer. A plurality of first conductivity type first well regions formed in part, a first conductivity type source region formed in a part of each surface layer of the plurality of first well regions, and a surface layer of the drift layer, The second conductivity type second well region formed in a region different from the first well region, the plurality of first well regions, the source region, and the first well region side on the second well region. Formed on the side opposite to the first well region side above the second well region, and formed on the field insulating film and the gate insulating film. Formed on the gate electrode and the first well region The source contact hole, the source pad that electrically connects the first well region and the second well region via the well contact hole formed on the second well region, and the gate electrode are electrically connected And a drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, and the closest distance from the position (P) where the distance to the inner well contact hole of the second well region is the longest and distance x P to the position of the well contact hole (Q), the distance from the position of the well contact hole on a straight line PQ (Q) to the boundary (R) of the gate insulating film and the field insulating film as x R, d ox the thickness of the gate insulating film, the time for switching the t from the oN state to the oFF state, the sheet resistance of the R SH second well region, the epsilon 0 of the vacuum dielectric constant, the epsilon S The dielectric constant of the lift layer, q the elementary charge, the effective first conductivity type impurity concentration of the drift of the N D layer, the voltage of the drain electrode of V OFF OFF state, Ri E max is 10 MV / cm der, the drain time derivative of 10V / nsec and to Rutoki voltage V OFF of the electrodes, characterized by satisfying the predetermined formula relationships.

また、本発明の電力用半導体装置は、炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、複数の第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、ドリフト層の表層の、第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、複数の第1ウェル領域とソース領域の上および第2ウェル領域上の第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、第2ウェル領域の上の第1ウェル領域側とは反対側に形成されゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上およびゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して第1ウェル領域と第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、を備え、フィールド絶縁膜の下部の第2ウェル領域のうち最も第1ウェル領域から遠い側の第2ウェル領域の外周の各位置(P’)から最近接のウェルコンタクトホールの位置(Q’)を結ぶ直線上で、P’Q’間の距離をxP’とし、ウェルコンタクトホールの位置(Q’)からゲート絶縁膜とフィールド絶縁膜との境界(R’)までの距離をxR’として、doxをゲート絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εをドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nをドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態のドレイン電極の電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たすことを特徴とする。 A power semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide semiconductor substrate, a drift layer formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, using a silicon carbide material of the first conductivity type, and a drift layer. A plurality of first conductivity type first well regions formed in a part of the surface layer, a first conductivity type source region formed in a part of each surface layer of the plurality of first well regions, and a surface layer of the drift layer The second conductivity type second well region formed in a region different from the first well region, the plurality of first well regions, the source region, and the first well region side on the second well region A gate insulating film formed; a field insulating film formed on a side opposite to the first well region side above the second well region; and having a thickness greater than the gate insulating film; and on the field insulating film and the gate insulating film The formed gate electrode and the first well region The source contact hole formed, the source pad that electrically connects the first well region and the second well region via the well contact hole formed on the second well region, and the gate electrode electrically A connected gate pad and a drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, the second farthest region of the second well region below the field insulating film being the farthest from the first well region. on a straight line connecting the 'position of the well contact hole closest (Q each position of the outer periphery of the second well region (P)'), 'the distance between x P' P'Q as, well contact hole position ( Q ′) is the distance from the gate insulating film to the boundary (R ′) between the gate insulating film and the field insulating film, x R ′ , d ox is the thickness of the gate insulating film, t is the time for switching from the on state to the off state, R SH The The sheet resistance of the second well region, epsilon 0 the dielectric constant of vacuum, epsilon dielectric constant of the S drift layer, q the elementary charge, the effective first conductivity type impurity concentration of the drift layer N D, V OFF to the OFF state the voltage of the drain electrode, E max is 10 MV / cm der is, the voltage V OFF of the drain electrode time derivative of 10V / nsec and to Rutoki, characterized by satisfying the predetermined formula relationships.

また、本発明の電力用半導体装置は、炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、複数の第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、ドリフト層の表層の、第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、複数の第1ウェル領域とソース領域の上および第2ウェル領域上の第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、第2ウェル領域の上の第1ウェル領域側とは反対側に形成されゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上およびゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して第1ウェル領域と第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、を備え、第2ウェル領域の内ウェルコンタクトホールまでの距離が最も大きい位置(P)から最近接のウェルコンタクトホールの位置(Q)までの距離をxとし、直線PQ上でフィールド絶縁膜上でウェルコンタクトホールの位置(Q)から最も離れた位置にゲート電極がある位置(S)とウェルコンタクトホールの位置(Q)との距離をxとして、dFLをフィールド絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εをドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nをドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態のドレイン電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たすことを特徴とする。 A power semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide semiconductor substrate, a drift layer formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, using a silicon carbide material of the first conductivity type, and a drift layer. A plurality of first conductivity type first well regions formed in a part of the surface layer, a first conductivity type source region formed in a part of each surface layer of the plurality of first well regions, and a surface layer of the drift layer The second conductivity type second well region formed in a region different from the first well region, the plurality of first well regions, the source region, and the first well region side on the second well region A gate insulating film formed; a field insulating film formed on a side opposite to the first well region side above the second well region; and having a thickness greater than the gate insulating film; and on the field insulating film and the gate insulating film The formed gate electrode and the first well region The source contact hole formed, the source pad that electrically connects the first well region and the second well region via the well contact hole formed on the second well region, and the gate electrode electrically A connected gate pad and a drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, the closest from the position (P) where the distance to the inner well contact hole in the second well region is the largest the position of the well contact hole the distance to (Q) as x P, the position where there is a gate electrode farthest from the position of the well contact hole on the field insulating film on a straight line PQ (Q) (S) and the well the distance between the position of the contact hole (Q) as x S, the thickness of the field insulating film d FL, switching time from the oN state to the oFF state to t, The sheet resistance of the SH second well region, epsilon 0 the dielectric constant of vacuum, the relative dielectric constant of the drift layer epsilon S, q the elementary charge, the effective first conductivity type impurity concentration of the drift layer N D, a V OFF the drain voltage in the off state, E max is 10 MV / cm der is, the voltage V oFF of the drain electrode time derivative of 10V / nsec and to Rutoki, characterized by satisfying the predetermined formula relationships.

また、本発明の電力用半導体装置は、炭化珪素半導体基板と、炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、複数の第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、ドリフト層の表層の、第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、複数の第1ウェル領域とソース領域の上および第2ウェル領域上の第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、第2ウェル領域の上の第1ウェル領域側とは反対側に形成されゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上およびゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して第1ウェル領域と第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、を備え、フィールド絶縁膜の下部の第2ウェル領域のうち最も第1ウェル領域から遠い側の第2ウェル領域の外周の各位置(P’)から最近接のウェルコンタクトホールの位置(Q’)を結ぶ直線上で、P’Q’間の距離をxP’とし、フィールド絶縁膜上でウェルコンタクトホールの位置(Q’)から最も離れた位置にゲート電極がある位置(S’)までの距離をxS’とし、dFLをフィールド絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εをドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nをドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態のドレイン電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たすことを特徴とする。


A power semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide semiconductor substrate, a drift layer formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, using a silicon carbide material of the first conductivity type, and a drift layer. A plurality of first conductivity type first well regions formed in a part of the surface layer, a first conductivity type source region formed in a part of each surface layer of the plurality of first well regions, and a surface layer of the drift layer The second conductivity type second well region formed in a region different from the first well region, the plurality of first well regions, the source region, and the first well region side on the second well region A gate insulating film formed; a field insulating film formed on a side opposite to the first well region side above the second well region; and having a thickness greater than the gate insulating film; and on the field insulating film and the gate insulating film The formed gate electrode and the first well region The source contact hole formed, the source pad that electrically connects the first well region and the second well region via the well contact hole formed on the second well region, and the gate electrode electrically A connected gate pad and a drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate, the second farthest region of the second well region below the field insulating film being the farthest from the first well region. The distance between P′Q ′ on the straight line connecting each position (P ′) on the outer periphery of the 2-well region to the position (Q ′) of the nearest well contact hole is x P ′, and the well is formed on the field insulating film. The distance from the contact hole position (Q ′) to the position (S ′) where the gate electrode is located farthest is x S ′ , d FL is the thickness of the field insulating film, and t is turned from the on state to the off state. Switching Time, R SH is the sheet resistance of the second well region, ε 0 is the vacuum dielectric constant, ε S is the relative permittivity of the drift layer, q is the elementary charge, N D is the effective first conductivity type impurity concentration of the drift layer the V oFF and the drain voltage in the off state, E Ri max is 10 MV / cm der, the voltage V oFF of the drain electrode time derivative of 10V / nsec and to Rutoki, and satisfy the predetermined formula relationships To do.


本発明の電力用半導体装置によれば、電力用半導体装置を高速駆動した場合においても、第2ウェル領域上のゲート絶縁膜またはフィールド絶縁膜に大きな強度の電界が印加されることなく、ゲート絶縁膜またはフィールド絶縁膜が絶縁破壊することを抑制でき、より信頼性の高い電力用半導体装置を提供することができる。   According to the power semiconductor device of the present invention, even when the power semiconductor device is driven at a high speed, the gate insulating film is not applied to the gate insulating film or the field insulating film on the second well region without applying a high strength electric field. A breakdown of the film or the field insulating film can be suppressed, and a more reliable power semiconductor device can be provided.

この発明の実施の形態1における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部の断面を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the one part cross section of the semiconductor device for electric power in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部の断面を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the one part cross section of the semiconductor device for electric power in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の製造工程を説明するための電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device for demonstrating the manufacturing process of the power semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の製造工程を説明するための電力用半導体装置の一部を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically a part of power semiconductor device for demonstrating the manufacturing process of the power semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部の断面を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the one part cross section of the semiconductor device for electric power in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。1 is a plan view schematically showing a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態1における電力用半導体装置の一部の断面を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the one part cross section of the semiconductor device for electric power in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically the electric power semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における電力用半導体装置を模式的に表す平面図である。It is a top view which represents typically the electric power semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における電力用半導体装置の一部の断面を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the one part cross section of the semiconductor device for electric power in Embodiment 2 of this invention.

実施の形態1.
本発明の実施の形態1においては、電力用半導体装置の一例として縦型のn型チャネル炭化珪素MOSFETを主としたものを用いて説明する。また、下記各実施の形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、半導体の導電型については、その逆であっても構わない。
Embodiment 1 FIG.
In the first embodiment of the present invention, description will be made using a vertical n-type channel silicon carbide MOSFET as a main example of a power semiconductor device. In the following embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the semiconductor conductivity type may be reversed.

図1は、本発明の実施の形態1の電力用半導体装置である炭化珪素MOSFETを主とした電力用半導体装置を上面から模式的に見た平面図である。図1において、電力用半導体装置の上面の中央部には、ソースパッド10が設けられている。ソースパッド10を上面から見た一方の側には、ゲートパッド11が設けられている。また、ゲートパッド11から延伸してソースパッド10を取り囲むように、ゲート配線12が設けられている。   1 is a plan view of a power semiconductor device mainly including a silicon carbide MOSFET, which is a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, as viewed from above. In FIG. 1, a source pad 10 is provided at the center of the upper surface of the power semiconductor device. A gate pad 11 is provided on one side of the source pad 10 as viewed from above. A gate wiring 12 is provided so as to extend from the gate pad 11 and surround the source pad 10.

ソースパッド10は、ソースパッド10の下部に複数設けられたMOSFETのユニットセルのソース電極に電気的に接続されたものであり、ゲートパッド11およびゲート配線12は、ユニットセルのゲート電極に電気的に接続され、外部の制御回路から供給されたゲート電圧をゲート電極に印加するものである。   The source pad 10 is electrically connected to the source electrode of the unit cell of the MOSFET provided in a plurality under the source pad 10, and the gate pad 11 and the gate wiring 12 are electrically connected to the gate electrode of the unit cell. And a gate voltage supplied from an external control circuit is applied to the gate electrode.

図2は、図1に示した本実施の形態における電力用半導体装置のソースパッド10、ゲートパッド11などの層より下部の層を上部から透視した平面図である。図2において、図1に示したソースパッド10の周囲の下部には、層間絶縁膜(図示せず)およびその下のゲート絶縁膜(図示せず)を貫通して、ウェルコンタクトホール62が形成されている。ウェルコンタクトホール62の下部の炭化珪素で構成された層には、p型炭化珪素の第2ウェル領域42が形成されている。また、第2ウェル領域42の外側には、所定の間隔をおいてn型炭化珪素のフィールドストッパー領域81が形成されている。   FIG. 2 is a plan view of layers below the layers such as the source pad 10 and the gate pad 11 of the power semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. In FIG. 2, a well contact hole 62 is formed in the lower part around the source pad 10 shown in FIG. 1 through an interlayer insulating film (not shown) and a gate insulating film (not shown) thereunder. Has been. A p-type silicon carbide second well region 42 is formed in a layer made of silicon carbide below well contact hole 62. An n-type silicon carbide field stopper region 81 is formed outside the second well region 42 at a predetermined interval.

図2の平面図において、ウェルコンタクトホール62および第2ウェル領域42で囲まれた内側には、前述のユニットセルが多数設けられたセル領域が設けられている。セル領域には、層間絶縁膜に形成された複数のソースコンタクトホール61およびそれぞれの下部のp型炭化珪素の第1ウェル領域41が形成されている。   In the plan view of FIG. 2, a cell region in which a large number of the unit cells are provided is provided on the inner side surrounded by the well contact hole 62 and the second well region 42. In the cell region, a plurality of source contact holes 61 formed in the interlayer insulating film and a first well region 41 of p-type silicon carbide below each are formed.

また、第2ウェル領域42の上部の一部には、ゲート絶縁膜またはフィールド絶縁膜を介して、ゲート電極(図示せず)が形成されており、ゲートパッド11、ゲート配線12とゲート電極とを電気的に接続する孔であるゲートコンタクトホール64が、層間絶縁膜を貫通して形成されている。   Further, a gate electrode (not shown) is formed on a part of the upper portion of the second well region 42 via a gate insulating film or a field insulating film, and the gate pad 11, the gate wiring 12, the gate electrode, A gate contact hole 64, which is a hole for electrically connecting the two, is formed through the interlayer insulating film.

図3および図4は、それぞれ、図2の平面図のA−A部分の断面、B−B部分の断面を模式的に表した本実施の形態における電力用半導体装置の断面模式図である。   3 and 4 are schematic cross-sectional views of the power semiconductor device according to the present embodiment, schematically showing the cross-section of the AA portion and the cross-section of the BB portion of the plan view of FIG.

図3および図4において、n型で低抵抗の炭化珪素で構成される半導体基板20の表面上に、n型の炭化珪素で構成されるドリフト層21が形成されている。図2で説明したゲートパッド11およびゲート配線12が設けられている領域にほぼ対応する位置のドリフト層21の表層部には、p型の炭化珪素で構成される第2ウェル領域42が設けられている。   3 and 4, drift layer 21 made of n-type silicon carbide is formed on the surface of semiconductor substrate 20 made of n-type and low-resistance silicon carbide. A second well region 42 made of p-type silicon carbide is provided in the surface layer portion of the drift layer 21 at a position substantially corresponding to the region where the gate pad 11 and the gate wiring 12 described in FIG. 2 are provided. ing.

図3の第2ウェル領域42の両側、図4の第2ウェル領域42の右側(図2において第2ウェル領域42に取り囲まれた内側)のドリフト層21の表層部には、第2ウェル領域42から少なくとも所定の間隔を置いて、p型の炭化珪素で構成された第1ウェル領域41が複数設けられている。第1ウェル領域41などが形成された領域が、図2で説明したセル領域に対応する。   The second well region is located on both sides of the second well region 42 in FIG. 3 and on the surface layer portion of the drift layer 21 on the right side of the second well region 42 in FIG. 4 (inner side surrounded by the second well region 42 in FIG. 2). A plurality of first well regions 41 made of p-type silicon carbide are provided at least at a predetermined interval from 42. The region where the first well region 41 and the like are formed corresponds to the cell region described with reference to FIG.

第1ウェル領域41のそれぞれの表層部には、第1ウェル領域41の外周から所定の間隔だけ内部に入った位置に、n型の炭化珪素で構成されるソース領域80が形成されている。また、第1ウェル領域41のソース領域80で囲まれた内部の表層部には、炭化珪素で構成される、低抵抗p型のウェルコンタクト領域46が設けられている。また、第2ウェル領域42の表層部のウェルコンタクトホール62の下部には、炭化珪素で構成される、低抵抗p型のウェルコンタクト領域47が設けられている。   In each surface layer portion of the first well region 41, a source region 80 made of n-type silicon carbide is formed at a position inside the first well region 41 from the outer periphery by a predetermined distance. A low resistance p-type well contact region 46 made of silicon carbide is provided in the inner surface layer portion surrounded by the source region 80 of the first well region 41. A low resistance p-type well contact region 47 made of silicon carbide is provided below the well contact hole 62 in the surface layer portion of the second well region 42.

図4の第2ウェル領域42の左側(図2の外側)のドリフト層21の表層部には、所定の間隔をおいて、炭化珪素で構成される、n型のフィールドストッパー領域81が形成されている。   An n-type field stopper region 81 made of silicon carbide is formed at a predetermined interval on the surface layer portion of the drift layer 21 on the left side (outside of FIG. 2) of the second well region 42 in FIG. ing.

第1ウェル領域41、第2ウェル領域42、ソース領域80、ウェルコンタクト領域46、47、およびフィールドストッパー領域81が形成されたドリフト層21の上に接して、二酸化珪素で構成されるゲート絶縁膜30、または、二酸化珪素で構成されるフィールド絶縁膜31が形成されている。ゲート絶縁膜30が形成されているのは、セル領域である第1ウェル領域41およびその周囲の上部と、第2ウェル領域42の上部の第1ウェル領域41側であり、フィールド絶縁膜31が形成されているのは、第2ウェル領域42の上部の第1ウェル領域41側とは反対側(図3の内側、図4の左側、図2の外側)である。本実施の形態の電力用半導体装置においては、ゲート絶縁膜30とフィールド絶縁膜31との境界であるゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33は、第2ウェル領域42の上部に形成されている。   A gate insulating film made of silicon dioxide in contact with the drift layer 21 in which the first well region 41, the second well region 42, the source region 80, the well contact regions 46 and 47, and the field stopper region 81 are formed. A field insulating film 31 made of 30 or silicon dioxide is formed. The gate insulating film 30 is formed on the first well region 41 that is a cell region and the upper part of the periphery of the first well region 41 and the upper part of the second well region 42, and the field insulating film 31 is formed on the side of the first well region 41. The upper side of the second well region 42 is formed on the side opposite to the first well region 41 side (inner side of FIG. 3, left side of FIG. 4, outer side of FIG. 2). In the power semiconductor device of the present embodiment, the gate insulating film field insulating film boundary 33, which is the boundary between the gate insulating film 30 and the field insulating film 31, is formed above the second well region 42.

ゲート絶縁膜30およびフィールド絶縁膜31の上部の一部には、ゲート絶縁膜30、フィールド絶縁膜31に接して、ゲート電極50が形成されている。ゲート電極50は、第1ウェル領域41の外周の上のゲート絶縁膜30の上などに設けられ、ゲート絶縁膜30上の部分からフィールド絶縁膜31上の部分まで電気的に接続されている。また、ゲート電極50は、フィールド絶縁膜31上で、フィールド絶縁膜31上に形成された層間絶縁膜32を貫通して形成されたゲートコンタクトホール64によってゲートパッド11またはゲート配線12と接続されている。   A gate electrode 50 is formed on part of the gate insulating film 30 and the field insulating film 31 in contact with the gate insulating film 30 and the field insulating film 31. The gate electrode 50 is provided on the gate insulating film 30 on the outer periphery of the first well region 41 and is electrically connected from a portion on the gate insulating film 30 to a portion on the field insulating film 31. The gate electrode 50 is connected to the gate pad 11 or the gate wiring 12 by a gate contact hole 64 formed on the field insulating film 31 through the interlayer insulating film 32 formed on the field insulating film 31. Yes.

第1ウェル領域41内のソース領域80およびウェルコンタクト領域46の上部には、層間絶縁膜32およびゲート絶縁膜30を貫通して設けられたソースコンタクトホール61が設けられている。また、第2ウェル領域42のウェルコンタクト領域47の上部には、層間絶縁膜32を含む絶縁膜を貫通して設けられたウェルコンタクトホール62が設けられている。ウェルコンタクトホール62は、層間絶縁膜32およびゲート絶縁膜30を貫通して設けられている。   A source contact hole 61 provided through the interlayer insulating film 32 and the gate insulating film 30 is provided above the source region 80 and the well contact region 46 in the first well region 41. In addition, a well contact hole 62 provided through the insulating film including the interlayer insulating film 32 is provided above the well contact region 47 of the second well region 42. The well contact hole 62 is provided through the interlayer insulating film 32 and the gate insulating film 30.

第1ウェル領域41、第2ウェル領域42は、オーミック電極71をそれぞれ間に介して、ソースコンタクトホール61およびウェルコンタクトホール62内のソースパッド10により互いに電気的に接続されている。   The first well region 41 and the second well region 42 are electrically connected to each other by the source pad 10 in the source contact hole 61 and the well contact hole 62 with the ohmic electrode 71 interposed therebetween.

また、半導体基板20の裏面側には、裏面オーミック電極72を介してドレイン電極13が形成されている。   A drain electrode 13 is formed on the back surface side of the semiconductor substrate 20 via a back surface ohmic electrode 72.

本実施の形態の電力用半導体装置の特徴的な寸法については後で詳しく説明する。   The characteristic dimensions of the power semiconductor device of this embodiment will be described in detail later.

次に、図5、図6を用いて、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法を説明する。図5および図6は、本実施の形態の電力用半導体装置の製造工程を説明するための電力用半導体装置の一部を模式的に表した断面図であり、図5および図6において、それぞれ、(a)は図2のA−A断面部、(b)は図2のB−B断面部の断面図に対応する。   Next, a method for manufacturing the power semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6 are cross-sectional views schematically showing a part of the power semiconductor device for explaining the manufacturing process of the power semiconductor device of the present embodiment. , (A) corresponds to the AA cross section of FIG. 2, and (b) corresponds to the cross section of the BB cross section of FIG.

以下、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法を順を追って説明する。
まず、n型で低抵抗の炭化珪素の半導体基板20上の表面(第1の主面)上に化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により1×1013cm-3〜1×1018cm-3のn型の不純物濃度、4〜200μmの厚さの炭化珪素で構成されるドリフト層21をエピタキシャル成長する。炭化珪素の半導体基板20は、第1の主面の面方位が(0001)面で4Hのポリタイプを有しc軸方向に対して8°以下に傾斜されているものを用いたが、他の面方位、ポリタイプ、傾斜角度であってもよく、また、傾斜していなくてもよい。
Hereinafter, the manufacturing method of the power semiconductor device of this embodiment will be described in order.
First, 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 on the surface (first main surface) of the n-type low-resistance silicon carbide semiconductor substrate 20 by chemical vapor deposition (CVD). A drift layer 21 made of silicon carbide having an n-type impurity concentration of 18 cm −3 and a thickness of 4 to 200 μm is epitaxially grown. As the semiconductor substrate 20 of silicon carbide, a substrate whose first principal plane has a (0001) plane and has a 4H polytype and is tilted to 8 ° or less with respect to the c-axis direction is used. The plane orientation, polytype, and inclination angle may be sufficient, or may not be inclined.

つづいて、図5に示すように、ドリフト層21の表層の所定の位置に、イオン注入法により、p型の第1ウェル領域41、p型の第2ウェル領域42、n型のソース領域80、n型のフィールドストッパー領域81、および、p型のウェルコンタクト領域46、47を形成する。イオン注入するp型不純物としては、Al(アルミニューム)またはB(硼素)が好適であり、イオン注入するn型不純物としては、N(窒素)またはP(燐)が好適である。また、イオン注入時の半導体基板20の加熱は、積極的に行なわなくてもよいし、200〜800℃で加熱を行なってもよい。   Subsequently, as shown in FIG. 5, a p-type first well region 41, a p-type second well region 42, and an n-type source region 80 are formed at predetermined positions on the surface layer of the drift layer 21 by ion implantation. The n-type field stopper region 81 and the p-type well contact regions 46 and 47 are formed. Al (aluminum) or B (boron) is preferable as the p-type impurity to be ion-implanted, and N (nitrogen) or P (phosphorus) is preferable as the n-type impurity to be ion-implanted. Further, the semiconductor substrate 20 may not be positively heated at the time of ion implantation, or may be heated at 200 to 800 ° C.

第1ウェル領域41、第2ウェル領域42の各々の深さは、エピタキシャル成長層であるドリフト層21の底面より深くならないように設定する必要があり、例えば、0.3〜2μmの範囲の値とする。また、第1ウェル領域41、第2ウェル領域42の各々のp型不純物濃度は、ドリフト層21の不純物濃度より高く、かつ、1×1015cm-3〜1×1019cm-3の範囲内に設定される。 It is necessary to set the depth of each of the first well region 41 and the second well region 42 so as not to be deeper than the bottom surface of the drift layer 21 that is an epitaxial growth layer, for example, a value in the range of 0.3 to 2 μm. To do. In addition, the p-type impurity concentration of each of the first well region 41 and the second well region 42 is higher than the impurity concentration of the drift layer 21 and is in the range of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . Set in.

ソース領域80の深さについては、その底面が第1ウェル領域41の底面を越えないように設定し、そのn型不純物濃度は、第1ウェル領域41のp型不純物濃度より高く、かつ、1×1017cm-3〜1×1021cm-3の範囲内に設定される。フィールドストッパー領域81については、ソース領域80と同様の条件で形成すればよい。 The depth of the source region 80 is set so that its bottom surface does not exceed the bottom surface of the first well region 41, its n-type impurity concentration is higher than the p-type impurity concentration of the first well region 41, and 1 It is set within the range of × 10 17 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 . The field stopper region 81 may be formed under the same conditions as the source region 80.

ただし、ドリフト層21の最表面近傍に限っては、MOSFETのチャネル領域における導電性を高めるために、第1ウェル領域41、第2ウェル領域42の各々のp型不純物濃度がドリフト層21のn型不純物濃度より低くなってもよい。   However, only in the vicinity of the outermost surface of the drift layer 21, the p-type impurity concentration of each of the first well region 41 and the second well region 42 is set to n of the drift layer 21 in order to increase the conductivity in the channel region of the MOSFET. It may be lower than the type impurity concentration.

ウェルコンタクト領域46、47については、オーミック電極71を間に挟んでそれぞれ、第1ウェル領域41および第2ウェル領域42とソースパッド10との良好な電気的接触を得るために設けるもので、第1ウェル領域41および第2ウェル領域42のp型不純物濃度より高濃度の不純物濃度に設定することが望ましい。また、これら高濃度の不純物をイオン注入する際には、ウェルコンタクト領域46、47を低抵抗化する上で、半導体基板20を150℃以上に加熱してイオン注入することが望ましい。   The well contact regions 46 and 47 are provided to obtain good electrical contact between the first well region 41 and the second well region 42 and the source pad 10 with the ohmic electrode 71 interposed therebetween. It is desirable to set the impurity concentration higher than the p-type impurity concentration of the first well region 41 and the second well region 42. Further, when ion-implanting these high-concentration impurities, it is desirable to ion-implant by heating the semiconductor substrate 20 to 150 ° C. or higher in order to reduce the resistance of the well contact regions 46 and 47.

つづいて、アルゴン(Ar)ガスまたは窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中、または、真空中で、1500〜2200℃の温度範囲、0.5〜60分の範囲の時間のアニールを行ない、イオン注入された不純物を電気的に活性化させる。このアニールを行なう際に、半導体基板20およびこれに形成された膜を炭素膜で覆った状態でアニールしてもよい。炭素膜で覆ってアニールすることにより、アニール時における装置内の残留水分や残留酸素などによって発生する炭化珪素表面の荒れの発生を防止することができる。   Subsequently, annealing is performed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas or nitrogen gas, or in vacuum, in a temperature range of 1500 to 2200 ° C. and for a time in a range of 0.5 to 60 minutes, and ion implantation is performed. The activated impurities are electrically activated. When performing this annealing, the semiconductor substrate 20 and the film formed thereon may be annealed while being covered with a carbon film. By covering and annealing with the carbon film, it is possible to prevent the occurrence of surface roughness of the silicon carbide caused by residual moisture or residual oxygen in the apparatus during annealing.

次に、上記のようにイオン注入されたドリフト層21の表面を犠牲酸化することにより熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜をフッ酸により除去することにより、イオン注入されたドリフト層21の表面変質層を除去して清浄な面を露出させる。つづいて、CVD法、フォトリソグラフィー技術などを用いて、上述のセル領域にほぼ対応した位置以外の領域にフィールド絶縁膜31と呼ぶ膜厚が0.5〜2μm程度の二酸化珪素膜を形成する。このとき、例えば、フィールド絶縁膜31を全面に形成した後、セル領域にほぼ対応した位置のフィールド絶縁膜31をフォトリソグラフィー技術、エッチングなどで除去すればよい。   Next, a thermal oxide film is formed by sacrificing the surface of the drift layer 21 ion-implanted as described above, and the thermal oxide film is removed with hydrofluoric acid to thereby form the ion-implanted drift layer 21. The surface alteration layer is removed to expose a clean surface. Subsequently, a silicon dioxide film called a field insulating film 31 having a thickness of about 0.5 to 2 μm is formed in a region other than the position substantially corresponding to the above-described cell region by using a CVD method, a photolithography technique, or the like. At this time, for example, after the field insulating film 31 is formed on the entire surface, the field insulating film 31 at a position substantially corresponding to the cell region may be removed by photolithography, etching, or the like.

つづいて、セル領域を中心とする領域に、熱酸化法または堆積法を用いて、フィールド絶縁膜31より厚さが小さく、例えば、厚さがフィールド絶縁膜31の1/10程度の二酸化珪素膜で構成されるゲート絶縁膜30を形成する。   Subsequently, a silicon dioxide film having a thickness smaller than that of the field insulating film 31, for example, about 1/10 of the thickness of the field insulating film 31, using a thermal oxidation method or a deposition method in a region centered on the cell region A gate insulating film 30 is formed.

ゲート絶縁膜30の膜厚としては、30nm以上300nm以下であれば良く、より好ましくは50nm以上150nm以下であればよい。   The thickness of the gate insulating film 30 may be 30 nm or more and 300 nm or less, and more preferably 50 nm or more and 150 nm or less.

つづいて、図6にその断面図を示すように、ゲート絶縁膜30およびフィールド絶縁膜31の上に、CVD法、フォトリソグラフィー技術などを用いて、所定の箇所に多結晶シリコン材料のゲート電極50を形成する。このゲート電極50に用いられる多結晶シリコンは、PやBが含まれて低抵抗であることが望ましい。PやBは多結晶シリコンの成膜中に導入してもよいし、成膜後にイオン注入法などによって導入してもよい。また、ゲート電極50は、多結晶シリコンと金属との多層膜、または、多結晶シリコンと金属シリサイドとの多層膜であってもよい。   Subsequently, as shown in a cross-sectional view of FIG. 6, a gate electrode 50 made of a polycrystalline silicon material is formed on the gate insulating film 30 and the field insulating film 31 at a predetermined position by using a CVD method, a photolithography technique, or the like. Form. The polycrystalline silicon used for the gate electrode 50 preferably contains P and B and has a low resistance. P and B may be introduced during the film formation of the polycrystalline silicon, or may be introduced by an ion implantation method after the film formation. The gate electrode 50 may be a multilayer film of polycrystalline silicon and metal or a multilayer film of polycrystalline silicon and metal silicide.

なお、ゲート電極50の最外端面は、フィールド絶縁膜31上にあるように配置してもよい。このようにすることで、ドライエッチング処理による端面のオーバーエッチングによって端面でむき出しになるゲート絶縁膜30の品質劣化を防ぐことができる。   The outermost end surface of the gate electrode 50 may be disposed on the field insulating film 31. By doing so, it is possible to prevent the quality deterioration of the gate insulating film 30 exposed at the end face due to the over-etching of the end face by the dry etching process.

次に、ゲート電極50などの上に、CVD法などの堆積法により二酸化珪素膜で構成される層間絶縁膜32を形成する。つづいて、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術を用いて、ソースコンタクトホール61、ウェルコンタクトホール62となる箇所の層間絶縁膜32を除去する。   Next, an interlayer insulating film 32 composed of a silicon dioxide film is formed on the gate electrode 50 and the like by a deposition method such as a CVD method. Subsequently, the interlayer insulating film 32 is removed from the portion that becomes the source contact hole 61 and the well contact hole 62 by using a photolithography technique and a dry etching technique.

つづいて、スパッタ法などによるNiを主成分とする金属膜の形成につづいて600〜1100℃の温度の熱処理を行ない、Niを主成分とする金属膜と炭化珪素層とを反応させて、炭化珪素層と金属膜との間にシリサイドを形成する。次に、反応してできたシリサイド以外の層間絶縁膜32上に残留した金属膜を、硫酸、硝酸、塩酸のいずれか、またはこれらと過酸化水素水との混合液などによるウェットエッチングにより除去する。   Subsequently, heat treatment at a temperature of 600 to 1100 ° C. is performed following the formation of a metal film containing Ni as a main component by sputtering or the like, and the metal film containing Ni as a main component reacts with the silicon carbide layer to carbonize. Silicide is formed between the silicon layer and the metal film. Next, the metal film remaining on the interlayer insulating film 32 other than the silicide formed by the reaction is removed by wet etching using one of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, or a mixed solution of these and hydrogen peroxide. .

このようにしてソースコンタクトホール61、ウェルコンタクトホール62内に形成されたシリサイドは、図3、図4に示したオーミック電極71となり、ソース領域80などのn型の炭化珪素領域と、第1ウェル領域41などのp型の炭化珪素領域の両方に対してオーミック接続する。   The silicide formed in the source contact hole 61 and the well contact hole 62 in this way becomes the ohmic electrode 71 shown in FIGS. 3 and 4, and the n-type silicon carbide region such as the source region 80 and the first well. Ohmic connection is made to both p-type silicon carbide regions such as region 41.

さらに、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術を用いて、ゲートコンタクトホール64となる箇所の層間絶縁膜32を除去する。つづいて、半導体基板20の裏面(第2の主面)にNiを主成分とする金属を形成、熱処理することにより、半導体基板20の裏側に裏面オーミック電極72を形成する。   Further, the interlayer insulating film 32 at a location to become the gate contact hole 64 is removed by using a photolithography technique and a dry etching technique. Subsequently, a back surface ohmic electrode 72 is formed on the back side of the semiconductor substrate 20 by forming a metal mainly composed of Ni on the back surface (second main surface) of the semiconductor substrate 20 and performing a heat treatment.

その後、ここまで処理してきた半導体基板20の表面にスパッタ法または蒸着法によりAl等の配線金属を形成し、フォトリソグラフィー技術により所定の形状に加工することで、ソースパッド10、ゲートパッド11およびゲート配線12を形成する。さらに、基板の裏面の裏面オーミック電極72の表面上に金属膜を形成することによりドレイン電極13を形成し、図3、図4にその断面図を示した電力用半導体装置が完成する。   Thereafter, a wiring metal such as Al is formed on the surface of the semiconductor substrate 20 that has been processed so far by sputtering or vapor deposition, and processed into a predetermined shape by photolithography, whereby the source pad 10, the gate pad 11 and the gate are formed. The wiring 12 is formed. Further, the drain electrode 13 is formed by forming a metal film on the surface of the back ohmic electrode 72 on the back surface of the substrate, and the power semiconductor device whose cross-sectional views are shown in FIGS. 3 and 4 is completed.

次に、本実施の形態の電力用半導体装置の動作について説明する。
まず、本実施の形態の電力用半導体装置を電気回路的に見た構成を説明しておく。本実施の形態の電力用半導体装置において、ウェルコンタクトホール62によってソースパッド10に接続された第2導電型(本実施の形態ではp型)の第2ウェル領域42と、半導体基板20と裏面オーミック電極72とを介してドレイン電極13に接続された第1導電型(本実施の形態ではn型)のドリフト層21との間に、ダイオードが形成されている。また、第1導電型のソース領域80と第1導電型のドリフト層21との間にある第2導電型の第1ウェル領域41でゲート絶縁膜30に接した領域(チャネル領域)の導通をゲート絶縁膜30上のゲート電極50の電圧により制御でき、これらが縦型のMOSFETを構成する。本実施の形態の電力用半導体装置においては、MOSFET(本実施の形態ではn型MOSFET)のソースとゲートとがpnダイオードの第2導電型の電極と、また、MOSFETのドレインがpnダイオードの第1導電型の電極と、それぞれ一体になっており、MOSFETのソースとドレインとの間にダイオードが並列に接続されている構成となっている。
Next, the operation of the power semiconductor device of the present embodiment will be described.
First, the configuration of the power semiconductor device of the present embodiment as viewed from an electric circuit will be described. In the power semiconductor device according to the present embodiment, the second conductivity type (p-type in this embodiment) second well region 42 connected to the source pad 10 by the well contact hole 62, the semiconductor substrate 20, and the back surface ohmic. A diode is formed between the first conductivity type (n-type in this embodiment) drift layer 21 connected to the drain electrode 13 via the electrode 72. In addition, the region (channel region) in contact with the gate insulating film 30 in the second conductivity type first well region 41 between the first conductivity type source region 80 and the first conductivity type drift layer 21 is electrically connected. It can be controlled by the voltage of the gate electrode 50 on the gate insulating film 30, and these constitute a vertical MOSFET. In the power semiconductor device of the present embodiment, the source and gate of a MOSFET (n-type MOSFET in this embodiment) are the second conductivity type electrodes of the pn diode, and the drain of the MOSFET is the pn diode first. Each of the electrodes is integrated with one conductivity type electrode, and a diode is connected in parallel between the source and drain of the MOSFET.

つづいて、図7を用いて動作について説明する。図7の(a)、(b)はそれぞれ図3、図4に対応する本実施の形態の電力用半導体装置の断面模式図であり、図中の矢印は電流の流れを示す。   Next, the operation will be described with reference to FIG. FIGS. 7A and 7B are schematic cross-sectional views of the power semiconductor device according to the present embodiment corresponding to FIGS. 3 and 4, respectively, and arrows in the drawing indicate current flows.

本実施の形態の電力用半導体装置において、MOSFETのゲート(本実施の形態においてはゲートパッド11)に印加する電圧を、MOSFETがオン状態からオフ状態にスイッチングするように変化させたとき、MOSFETのドレイン(本実施の形態においてはドレイン電極13)の電圧が急激に上昇し、略0Vから数百Vにまで変化する。そうすると、p型の第1ウェル領域41、第2ウェル領域42、n型のドリフト層21との間のそれぞれに発生する寄生容量を介して、図7に示すように、変位電流がp型、n型の両方の領域に流れる。p型の領域では、図7の実線矢印で模式的に示すように、p型の第1ウェル領域41、第2ウェル領域42などから、オーミック電極71を経てソースパッド10に向けて変位電流が流れる。n型の領域では、図7の破線矢印で模式的に示すように、n型のドリフト層21から半導体基板20、裏面オーミック電極72を経てドレイン電極13に向けて変位電流が流れる。   In the power semiconductor device of this embodiment, when the voltage applied to the gate of the MOSFET (the gate pad 11 in this embodiment) is changed so that the MOSFET switches from the on state to the off state, The voltage of the drain (in this embodiment, the drain electrode 13) rises rapidly and changes from approximately 0V to several hundred volts. Then, as shown in FIG. 7, the displacement current is p-type via the parasitic capacitance generated between the p-type first well region 41, the second well region 42, and the n-type drift layer 21. It flows in both n-type regions. In the p-type region, as schematically shown by the solid line arrows in FIG. 7, a displacement current flows from the p-type first well region 41 and the second well region 42 to the source pad 10 through the ohmic electrode 71. Flowing. In the n-type region, a displacement current flows from the n-type drift layer 21 to the drain electrode 13 through the semiconductor substrate 20 and the back surface ohmic electrode 72 as schematically shown by the broken-line arrows in FIG.

これらの変位電流により、変位電流が流れる領域の抵抗値、および、変位電流の値、で決まる電圧が発生するが、第1ウェル領域41の面積は大きくないため、その領域の抵抗値も大きくなく、発生する電圧もある程度の値に留まる。これに対して、第2ウェル領域42は、面積が大きいため、面積に相応した大きな電流が流れる。このように、第2ウェル領域42からウェルコンタクト領域48、ウェルコンタクトホール62のオーミック電極71を経由してソースパッド10にまで大きな電流値の変位電流が流れるとき、コンタクトホール近傍の接触抵抗をも含む電流経路の抵抗値が比較的大きいため、電流経路で発生する電圧が大きな値となる。この電流経路で発生する電圧は、上記ドレイン電圧Vの時間tに対する変動dV/dtが大きくなる程大きくなる。   These displacement currents generate a voltage determined by the resistance value of the region where the displacement current flows and the value of the displacement current. However, since the area of the first well region 41 is not large, the resistance value of the region is not large. The generated voltage remains at a certain value. On the other hand, since the second well region 42 has a large area, a large current corresponding to the area flows. Thus, when a displacement current having a large current value flows from the second well region 42 to the source pad 10 via the ohmic electrode 71 of the well contact region 48 and the well contact hole 62, the contact resistance in the vicinity of the contact hole is reduced. Since the resistance value of the current path including it is relatively large, the voltage generated in the current path becomes a large value. The voltage generated in this current path increases as the fluctuation dV / dt of the drain voltage V with respect to time t increases.

このような大きな電圧が発生する箇所(ウェル領域)の上にゲート絶縁膜30やフィールド絶縁膜31を介してゲート電極50が形成されていると、MOSFETをオフ状態にして電圧が略0Vになっているゲート電極50と大きな電圧が発生する箇所(ウェル領域)との間の絶縁膜に高電界が印加され、絶縁膜が絶縁破壊する場合がある。   When the gate electrode 50 is formed on the portion (well region) where such a large voltage is generated via the gate insulating film 30 and the field insulating film 31, the MOSFET is turned off and the voltage becomes approximately 0V. In some cases, a high electric field is applied to the insulating film between the gate electrode 50 and a portion (well region) where a large voltage is generated, causing the insulating film to break down.

本発明の本実施の形態の電力用半導体装置においては、ゲート電極50と対向した箇所(ウェル領域)に発生する電圧を所定の値以内に制御することによって、絶縁膜が絶縁破壊することを抑制できる。   In the power semiconductor device according to the present embodiment of the present invention, by controlling the voltage generated at a location (well region) facing the gate electrode 50 within a predetermined value, the dielectric breakdown of the insulating film is suppressed. it can.

以下、ゲート電極50と対向した箇所(ウェル領域)に発生する電圧、および、その電圧によってゲート絶縁膜30およびフィールド絶縁膜31に印加される電界を求める。   Hereinafter, a voltage generated at a location (well region) facing the gate electrode 50 and an electric field applied to the gate insulating film 30 and the field insulating film 31 based on the voltage are obtained.

本発明の本実施の形態の電力用半導体装置のn型のドリフト層21とp型の第2ウェル領域42との間に形成されるpn接合には、ソースパッド10とドレイン電極13との間の電圧により空乏層が形成される場合があり、この空乏層の電荷密度はソースパッド10とドレイン電極13との電位差で決まる。ソースパッド10の電圧は通常0Vであるので、ドレイン電極13の電圧(ドレイン電圧V)がそのままソースパッド10とドレイン電極13との電位差になる。 In the pn junction formed between the n-type drift layer 21 and the p-type second well region 42 of the power semiconductor device of the present embodiment of the present invention, there is a gap between the source pad 10 and the drain electrode 13. In some cases, a depletion layer is formed by this voltage, and the charge density of this depletion layer is determined by the potential difference between the source pad 10 and the drain electrode 13. Since the voltage of the source pad 10 is usually 0 V, the voltage of the drain electrode 13 (drain voltage V D ) becomes the potential difference between the source pad 10 and the drain electrode 13 as it is.

ドレイン電極13にソースパッド10に対してプラスの電圧が印加されドリフト層21と第2ウェル領域42との間のpn接合に空乏層が形成されるとき、n型のドリフト層21およびp型の第2ウェル領域42にそれぞれ発生する空乏電荷密度の絶対値Qは、以下の式で与えられる。 When a positive voltage is applied to the drain electrode 13 with respect to the source pad 10 to form a depletion layer at the pn junction between the drift layer 21 and the second well region 42, the n-type drift layer 21 and the p-type drift layer 21 are formed. absolute value Q D of the depletion charge density generated respectively in the second well region 42 is given by the following equation.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

ここで、εは真空の誘電率、εsはドリフト層21の比誘電率、qは素電荷、Nはドリフト層21の実効第1導電型不純物濃度(ドリフト層21がn型の場合はドナー濃度からアクセプタ濃度を差し引いた量)、Φbiはpn接合の拡散電位であり、第2ウェル領域42の不純物濃度Nがドリフト層21の不純物濃度Nより十分に高いものとする。 Here, epsilon 0 is the vacuum dielectric constant, .epsilon.s dielectric constant of the drift layer 21, q is the elementary charge, N D is when the effective first conductivity type impurity concentration (drift layer 21 of the drift layer 21 is n-type the amount obtained by subtracting the acceptor concentration from the donor concentration), [Phi bi is the diffusion potential of the pn junction, the impurity concentration N a of the second well region 42 is made sufficiently higher than the impurity concentration N D of the drift layer 21.

本実施の形態の電力用半導体装置であるMOSFETがオン状態からオフ状態に切り替わるとき、ドレイン電極13の電圧(ドレイン電圧V)がオン状態のドレイン電圧VONからオフ状態のドレイン電圧VOFFに増加し、これに伴い空乏電荷密度Qも増加する。電力用半導体装置がオン状態からオフ状態に切り替わる時間をtとすると、オン状態からオフ状態に切り替わる間の空乏電荷密度の時間変化率dQ/dtは、以下の式で示される。 When the MOSFET which is the power semiconductor device of the present embodiment is switched from the on state to the off state, the voltage of the drain electrode 13 (drain voltage V D ) changes from the drain voltage V ON in the on state to the drain voltage V OFF in the off state. increase also increases the depletion charge density Q D accordingly. Assuming that the time during which the power semiconductor device is switched from the on state to the off state is t, the time change rate dQ D / dt of the depletion charge density during the switching from the on state to the off state is expressed by the following equation.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

ここで、ΦbiおよびVONは高々数Vであるのに対し、VOFFは数百V以上であることから、VOFF≫VON,VOFF≫Φbiの関係が成り立ち、数2は以下の式のように精度よく近似できる。 Here, while the [Phi bi and V ON is at most a few V, since V OFF is several hundreds V or more, V OFF >> V ON, holds the relationship of V OFF »Fai bi, number 2 the following It can be approximated with high accuracy like

Figure 0006008145
Figure 0006008145

この空乏電荷密度の変化を補うために、第2ウェル領域42では同じ電荷密度のホールが発生し、発生した箇所から最も近いオーミック電極71を経由してソースパッド10に移動することで変位電流が流れる。この電流経路のうち、第2ウェル領域42では、図7で示したように至るところでホールが発生し、同一のオーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)に向かって移動する。   In order to compensate for the change in the depletion charge density, holes having the same charge density are generated in the second well region 42, and the displacement current is transferred to the source pad 10 via the ohmic electrode 71 closest to the generated position. Flowing. In this current path, holes are generated in the second well region 42 as shown in FIG. 7, and move toward the same ohmic electrode 71 (well contact hole 62).

ここで、第2ウェル領域42において、オーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)までの距離が最も大きい点のウェハ平面内での位置をP、位置Pから最も近いオーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)のウェハ平面内での位置をQとし、直線PQ間に発生する電流と電位を求めることにする。なお、正確には、点Qはウェハ平面内に一辺数μm程度の大きさで形成されるオーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)のうち位置Pまでの距離が最も近い位置とする。また、位置Qをx=0、位置Pをx=xとする電流経路に平行なx軸を定義する。 Here, in the second well region 42, the position in the wafer plane where the distance to the ohmic electrode 71 (well contact hole 62) is the largest is P, and the ohmic electrode 71 (well contact hole 62) closest to the position P. Let Q be the position in the wafer plane, and determine the current and potential generated between the straight lines PQ. To be precise, the point Q is a position where the distance to the position P is the shortest in the ohmic electrode 71 (well contact hole 62) formed with a size of about several μm on the wafer plane. Also, the position Q x = 0, defines the parallel x-axis position P in a current path to x = x P.

直線PQ上の位置x(但し、0≦x≦x)における電流の大きさI(x)は、x≦x≦xの範囲において時間当たりに発生するホールの量に等しいため、以下の式で表すことができる。 The current magnitude I H (x 1 ) at the position x 1 on the straight line PQ (where 0 ≦ x 1 ≦ x P ) is the amount of holes generated per hour in the range of x 1 ≦ x ≦ x P. Since they are equal, they can be expressed by the following equation.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

座標x=0の位置と座標x=xの位置との電位差は、0≦x≦xの範囲において、電流の大きさI(x)と第2ウェル領域42のシート抵抗RSHの積を積分することで求めることができる。また、位置Qのオーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)はソースパッド10に接続されているため、座標x=0における電圧は0Vである。
従って、座標x=xにおける電位V(x)は、以下の式で表すことができる。
The potential difference between the position of the coordinate x = 0 and the position of the coordinate x = x 1 is the current magnitude I H (x 1 ) and the sheet resistance R SH of the second well region 42 in the range of 0 ≦ x ≦ x 1. It can be obtained by integrating the product of. Since the ohmic electrode 71 (well contact hole 62) at the position Q is connected to the source pad 10, the voltage at the coordinate x = 0 is 0V.
Therefore, the potential V H (x 2 ) at the coordinate x = x 2 can be expressed by the following equation.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

ここで、xは0≦x≦xを満たす任意の値であるため、直線PQ上において、位置Qから距離xだけ離れた位置の電圧V(x)は、下記数6で表すことができる。 Here, since x 2 is an arbitrary value satisfying 0 ≦ x 2 ≦ x P , the voltage V H (x) at a position away from the position Q by the distance x on the straight line PQ is expressed by the following formula 6. be able to.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

MOSFETがオン状態からオフ状態に変化し、ドレイン電極21の電圧Vが時間tの間にVon(略0V)からVoffに変化する間に、第2ウェル領域42の直線PQ上の点では、数6で与えられる電圧が発生する。ここで、第2ウェル領域42の上にゲート電極50がある場合、間に挟まれるゲート絶縁膜30、フィールド絶縁膜31には、V(x)で与えられる電圧が印加される。この電圧はxが大きくなるほど、すなわち位置Qからの距離が大きくなるほど大きくなる。 While the MOSFET changes from the on state to the off state, and the voltage V D of the drain electrode 21 changes from V on (approximately 0 V) to V off during time t, the point on the straight line PQ of the second well region 42 Then, the voltage given by Equation 6 is generated. Here, when the gate electrode 50 is present on the second well region 42, a voltage given by V H (x) is applied to the gate insulating film 30 and the field insulating film 31 sandwiched therebetween. This voltage increases as x increases, that is, as the distance from the position Q increases.

次に、ゲート絶縁膜30に印加される電界、および、フィールド絶縁膜31に印加される電界をそれぞれ計算する。   Next, the electric field applied to the gate insulating film 30 and the electric field applied to the field insulating film 31 are calculated.

まず、ゲート絶縁膜30に印加される電界を計算する。   First, the electric field applied to the gate insulating film 30 is calculated.

直線PQ上で、位置Qから見て膜厚がdFLのフィールド絶縁膜31を介してゲート電極50がある領域は、膜厚がdOXのゲート絶縁膜30を介してゲート電極50がある領域より遠くにあるため、フィールド絶縁膜31にはゲート絶縁膜30より高い電圧が印加されるが、フィールド絶縁膜31はゲート絶縁膜30に対して厚く設計することができるため、フィールド絶縁膜31に印加される電界強度を小さくすることができる。一方、ゲート絶縁膜30は、オン時の抵抗を低減する目的からその膜厚を極端な厚膜化することが困難なため、高電界が発生しやすい。すなわち、位置Pと位置Qを結ぶ直線上で、ゲート絶縁膜30に最も電界強度の大きな電界が発生する位置は、ゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33の位置である。この位置で発生する最大電界強度EH2maxは、直線PQ上で、位置Qからゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33の距離をx、ゲート絶縁膜の膜厚をdoxとしたとき、以下の式で表される。 On the straight line PQ, the region where the gate electrode 50 is located through the field insulating film 31 whose film thickness is d FL when viewed from the position Q is the region where the gate electrode 50 is located via the gate insulating film 30 whose film thickness is d OX. Since the field insulating film 31 is farther away, a higher voltage than the gate insulating film 30 is applied to the field insulating film 31, but the field insulating film 31 can be designed to be thicker than the gate insulating film 30. The applied electric field strength can be reduced. On the other hand, since it is difficult to increase the thickness of the gate insulating film 30 for the purpose of reducing the on-resistance, a high electric field is likely to be generated. That is, the position where the electric field having the highest electric field strength is generated in the gate insulating film 30 on the straight line connecting the position P and the position Q is the position of the gate insulating film field insulating film boundary 33. Maximum electric field strength E H2max occurring at this position, on the straight line PQ, when the distance of the gate insulating film field insulating film boundary 33 from the position Q to x R, the thickness of the gate insulating film and d ox, the following formula It is represented by

Figure 0006008145

したがって、ゲート絶縁膜に印加する電界強度をEmax以下にするためには、下記数8の不等式を満たす必要がある。
Figure 0006008145

Therefore, in order to the intensity of the electric field applied to the gate insulating film below E max it is required to satisfy the following inequality number 8.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

数8の不等式を満たすためのxの範囲をx<xの範囲で解くと、 Solving the range of the x R to satisfy the inequality of Equation 8 in the range of x R <x p,

Figure 0006008145
Figure 0006008145

となる。
このように、第2ウェル領域42の内、オーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)までの距離が最も大きい点のウェハ平面内での位置(位置P)と位置Pまでの距離が最も近いオーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)の位置(位置Q)を結ぶ直線PQ上で、位置Qからゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33の距離xが数9を満たすように設定することにより、ゲート絶縁膜30に印加される電界を所定の値以下にできる。例えば、Emaxを10MV/cmとするとゲート絶縁膜30に印加される電界を10MV/cm以下にでき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。また、Emaxを3MV/cmとするとより信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
It becomes.
As described above, the position (position P) in the wafer plane where the distance to the ohmic electrode 71 (well contact hole 62) is the largest in the second well region 42 and the distance to the position P are the shortest. 71 on the straight line PQ connecting the position of the (well contact hole 62) (position Q), by a distance x R of the gate insulating film field insulating film boundary 33 from the position Q is set so as to satisfy the equation (9), a gate insulating film The electric field applied to 30 can be set to a predetermined value or less. For example, when Emax is 10 MV / cm, the electric field applied to the gate insulating film 30 can be 10 MV / cm or less, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained. Further, when Emax is 3 MV / cm, a more reliable power semiconductor device can be obtained.

次に、フィールド絶縁膜31に印加される電界を計算する。   Next, the electric field applied to the field insulating film 31 is calculated.

直線PQ上で、位置Qから見て膜厚がdFLのフィールド絶縁膜31を介してゲート電極50がある領域は、膜厚がdOXのゲート絶縁膜30を介してゲート電極50がある領域より遠くにあるため、フィールド絶縁膜31にはゲート絶縁膜30より高い電圧が印加される。 On the straight line PQ, the region where the gate electrode 50 is located through the field insulating film 31 whose film thickness is d FL when viewed from the position Q is the region where the gate electrode 50 is located via the gate insulating film 30 whose film thickness is d OX. Since it is further away, a voltage higher than that of the gate insulating film 30 is applied to the field insulating film 31.

ここで、フィールド絶縁膜31に最も大きな電界強度の電界が印加される位置は、前述の直線PQ上において、ゲート電極50が存在する位置のうち、位置Qから最も遠い位置である。この位置を位置Sと定義する。直線PQ上の位置Sを図9に示す。図9は、本実施の形態の電力用半導体装置の断面模式図である。   Here, the position where the electric field having the greatest electric field strength is applied to the field insulating film 31 is the position farthest from the position Q among the positions where the gate electrode 50 exists on the straight line PQ. This position is defined as position S. A position S on the straight line PQ is shown in FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the power semiconductor device of the present embodiment.

直線PQ上で、位置Qからゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33の距離をx、位置Qから位置Sまでの距離をx、フィールド絶縁膜31の膜厚をdFLとするとき、x≧xの位置のフィールド絶縁膜31に印加される電界E(x)は、下記数10で表すことができる。 When the distance from the position Q to the gate insulating film field insulating film boundary 33 is x R , the distance from the position Q to the position S is x S , and the film thickness of the field insulating film 31 is d FL on the straight line PQ, x ≧ x field is applied to the field insulation film 31 of the position of R E F (x) can be expressed by the following Expression 10.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

電界E(x)が最大の値をとるのは、x=xのときであるので、電界Eの最大値は、次の式で表すことができる。 Since the electric field E H (x) takes the maximum value when x = x S , the maximum value of the electric field E F can be expressed by the following equation.

Figure 0006008145
Figure 0006008145

したがって、フィールド絶縁膜31に印加する電界強度をEmax以下に抑制するためには、Emax≧E(x)とし、 Therefore, in order to suppress the electric field strength applied to the field insulating film 31 to E max or less, E max ≧ E F (x S ),

Figure 0006008145
Figure 0006008145

とすればよい。
このように、第2ウェル領域42の内、オーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)までの距離が最も大きい点のウェハ平面内での位置(位置P)と位置Pまでの距離が最も近いオーミック電極71(ウェルコンタクトホール62)の位置(位置Q)を結ぶ直線PQ上で、位置Qから位置Pまでの距離xと位置Qから位置Sまでの距離xとが数12の関係を満たすように設定することにより、フィールド絶縁膜31に印加される電界を所定の値以下にできる。例えば、Emaxを3MV/cmとするとフィールド絶縁膜31に印加される電界を3MV/cm以下にでき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
And it is sufficient.
As described above, the position (position P) in the wafer plane where the distance to the ohmic electrode 71 (well contact hole 62) is the largest in the second well region 42 and the distance to the position P are the shortest. 71 on the straight line PQ connecting the position of the (well contact hole 62) (position Q), so that the distance x S from the distance x p and position Q from the position Q to the position P to the position S satisfies the relation of Equation 12 By setting to, the electric field applied to the field insulating film 31 can be made a predetermined value or less. For example, when E max is 3 MV / cm, the electric field applied to the field insulating film 31 can be 3 MV / cm or less, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained.

なお、ゲート絶縁膜30やフィールド絶縁膜31には一般的に二酸化珪素が用いられ、その絶縁破壊電界強度は10MV/cmである。数9および数12においてEmax=10MV/cmとしたときに、数9を満たす範囲のxを選ぶことで、ゲート絶縁膜30の破壊を防ぐことができ、Emax=10MV/cmとしたときに、数12を満たす範囲のフィールド絶縁膜31の膜厚dFLを選ぶことで、フィールド絶縁膜31の破壊を防ぐことができる。ゲート絶縁膜30やフィールド絶縁膜31が二酸化珪素である場合であっても、ゲート絶縁膜30やフィールド絶縁膜31が10MV/cmより低いことがより望ましく、Emax=3MV/cmとした方が、より信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。 Note that silicon dioxide is generally used for the gate insulating film 30 and the field insulating film 31, and the breakdown electric field strength thereof is 10 MV / cm. When the E max = 10MV / cm in the number 9 and number 12, by choosing the x R range satisfying Equation 9, it is possible to prevent the breakdown of the gate insulating film 30, and the E max = 10MV / cm Occasionally, by choosing the thickness d FL of the field insulating film 31 in the range satisfying Equation 12, it is possible to prevent the destruction of the field insulating film 31. Even when the gate insulating film 30 and the field insulating film 31 are silicon dioxide, it is more desirable that the gate insulating film 30 and the field insulating film 31 are lower than 10 MV / cm, and it is more preferable that E max = 3 MV / cm. Thus, a more reliable power semiconductor device can be obtained.

次に、CVD法で形成される層間絶縁膜32の膜厚の影響について検討する。
CVD法で形成される層間絶縁膜32は、フィールド絶縁膜31の上部に堆積される膜厚におおよそ等しい膜厚分だけ、フィールド絶縁膜31の側面にも堆積される。そのため、ゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33から、ゲート絶縁膜30側に、層間絶縁膜32の膜厚に等しい距離の範囲においては、層間絶縁膜32のウェハ垂直方向の膜厚が厚くなる。
Next, the influence of the film thickness of the interlayer insulating film 32 formed by the CVD method will be examined.
The interlayer insulating film 32 formed by the CVD method is also deposited on the side surface of the field insulating film 31 by a film thickness approximately equal to the film thickness deposited on the field insulating film 31. Therefore, the film thickness of the interlayer insulating film 32 in the vertical direction of the wafer increases in the range of a distance equal to the film thickness of the interlayer insulating film 32 from the gate insulating film field insulating film boundary 33 to the gate insulating film 30 side.

ウェルコンタクトホール62は、層間絶縁膜32を貫通して形成されるが、ウェルコンタクトホール62とゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33の距離が、層間絶縁膜31の膜厚よりも大きい範囲では、ウェルコンタクトホール62を形成する際に、エッチングする層間絶縁膜32の膜厚が、ウェルコンタクトホール62のホール内で均一になるため、アンダーエッチ、オーバーエッチが生じにくく、プロセスが容易になる。   The well contact hole 62 is formed so as to penetrate the interlayer insulating film 32, but in the range where the distance between the well contact hole 62 and the gate insulating film field insulating film boundary 33 is larger than the film thickness of the interlayer insulating film 31, the well contact hole 62 is formed. When the contact hole 62 is formed, the thickness of the interlayer insulating film 32 to be etched is uniform within the well contact hole 62, so that under-etching and over-etching are unlikely to occur and the process is facilitated.

なお、本実施の形態の電力用半導体装置において、「第2ウェル領域42において、第2ウェル領域42に接続されたウェルコンタクトホール62からの距離が最も遠い位置」は、図8に示すように第2ウェル領域42の最外周で、第2ウェル領域42の中心と最も近い位置となる位置Pであり、位置Pから最も近いウェルコンタクトホール62は図8に示す位置Qとなる。 In the power semiconductor device of the present embodiment, “the position where the distance from the well contact hole 62 connected to the second well region 42 in the second well region 42 is farthest” is as shown in FIG. in the outermost circumference of the second well region 42, a position P 1 as a position closest to the center of the second well region 42, the well contact hole 62 closest to the position P 1 is the position Q 1 shown in FIG.

ここまでは、直線PQ上の位置についてのみ説明してきたが、電力用半導体装置全体に対しては、第2ウェル領域42の最外周の各位置(第1ウェル領域から遠い側の第2ウェル領域の外周の各位置)P’から最近接のウェルコンタクトホール62の位置Q’を結ぶ直線上で、P’Q’間の距離をxP’とし、ウェルコンタクトホールの位置(Q’)からゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33(R’)までの距離をxR’、ウェルコンタクトホール62の位置(Q’)から最も離れた位置にゲート電極50がある位置(S’)までの距離をxS’として、数9、数12の関係を満たすようにすればよい。 Up to this point, only the position on the straight line PQ has been described. However, for the entire power semiconductor device, each position on the outermost periphery of the second well region 42 (the second well region far from the first well region). The distance between P′Q ′ and the position Q ′ of the nearest well contact hole 62 on the straight line connecting P ′ and the position Q ′ of the nearest well contact hole 62 is xP ′, and the gate from the position (Q ′) of the well contact hole The distance to the insulating film field insulating film boundary 33 (R ′) is x R ′ , and the distance to the position (S ′) where the gate electrode 50 is located farthest from the position (Q ′) of the well contact hole 62 is x. As S ′ , the relationship of Equations 9 and 12 may be satisfied.

本実施の形態の電力用半導体装置においては、Emaxを10MV/cmとし、第2ウェル領域の内ウェルコンタクトホールまでの距離が最も大きい点からウェルコンタクトホールの位置までの距離xを数9で規定する値にしているので、ゲート絶縁膜30に印加される電界を10MV/cm以下にでき、ゲート絶縁膜30の破壊が生じない信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。 In the power semiconductor device of the present embodiment, E max is set to 10 MV / cm, and the distance x P from the point where the distance to the inner well contact hole in the second well region is the largest to the position of the well contact hole is set to several 9 Therefore, the electric field applied to the gate insulating film 30 can be 10 MV / cm or less, and a highly reliable power semiconductor device in which the gate insulating film 30 is not broken can be obtained.

また、Emaxを10MV/cmとし、第2ウェル領域42の内ウェルコンタクトホール62までの距離が最も大きい点からウェルコンタクトホール62の位置までの距離x、フィールド絶縁膜31上でウェルコンタクトホール62から最も離れた位置にゲート電極50がある位置とウェルコンタクトホール62との距離xとを数12で規定する値にしているので、フィールド絶縁膜31に印加される電界を10MV/cm以下にでき、フィールド絶縁膜31の破壊が生じない信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。 Further, E max is 10 MV / cm, the distance x P from the point where the distance to the inner well contact hole 62 in the second well region 42 is the largest to the position of the well contact hole 62, the well contact hole on the field insulating film 31. Since the distance x S between the position where the gate electrode 50 is farthest from 62 and the well contact hole 62 is set to a value defined by Equation 12, the electric field applied to the field insulating film 31 is 10 MV / cm or less. Thus, a highly reliable power semiconductor device in which the field insulating film 31 is not broken can be obtained.

ここで、あらためて、炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体材料を用いたMOSFETを高速駆動、すなわち、高dV/dtで駆動することについて説明しておく。   Here, a description will be given of driving a MOSFET using a wide band gap semiconductor material such as silicon carbide at a high speed, that is, driving at a high dV / dt.

従来のSi(シリコン)を用いたユニポーラ素子であるSi−MOSFETにおいては、動作速度としては20V/nsec以上と比較的高速で動作させているが、1kV前後からそれ以上の高い電圧で動作させると導通損失が非常に大きくなることから、その動作電圧は数10から数100Vに限られていた。そのため、1kV前後からそれ以上の高電圧領域では、もっぱらSi−IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が利用されてきた。ところが、IGBTはバイポーラ素子であるために、少数キャリアの影響で、ユニポーラ素子のような高速スイッチング特性を得ることは難しかった。すなわち、dV/dtを増加させてもスイッチング損失を大きく減らすことができないため、高dV/dtで駆動する必要はなく、せいぜい数V/nsec程度の動作速度で使用されていた。   A conventional Si-MOSFET that is a unipolar element using Si (silicon) is operated at a relatively high speed of 20 V / nsec or more as an operation speed, but when operated at a high voltage of about 1 kV or higher. Since the conduction loss becomes very large, the operating voltage is limited to several tens to several hundreds volts. For this reason, an Si-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has been used exclusively in a high voltage region of about 1 kV or higher. However, since the IGBT is a bipolar element, it is difficult to obtain high-speed switching characteristics like a unipolar element due to the influence of minority carriers. That is, since switching loss cannot be greatly reduced even if dV / dt is increased, it is not necessary to drive at high dV / dt, and it is used at an operating speed of about several V / nsec at most.

これに対して、炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体材料を用いたMOSFETでは、1kV以上の高電圧領域においても低い導通損失を得ることができ、また、ユニポーラ素子であるので高速動作が可能であり、高速スイッチングによりスイッチング損失を低減できるので、インバータ動作時の損失をより一層低減することができる。   On the other hand, a MOSFET using a wide band gap semiconductor material such as silicon carbide can obtain a low conduction loss even in a high voltage region of 1 kV or higher, and can operate at high speed because it is a unipolar element. Since switching loss can be reduced by high-speed switching, loss during inverter operation can be further reduced.

このような、1kV以上の高電圧領域動作で例えば10V/nsec以上の高速スイッチングという、従来のSi素子では無かった動作環境において、特許文献1の例で説明したようなスイッチング時の変位電流によりPウェルに発生する電圧は、より顕著になる。   In such an operating environment that is not possible with a conventional Si element, such as high-speed switching of 10 V / nsec or more in an operation in a high voltage region of 1 kV or higher, P is caused by the displacement current during switching as described in the example of Patent Document 1. The voltage generated in the well becomes more prominent.

さらに、炭化珪素半導体材料を用いてこのようなMOSFETを形成した場合、炭化珪素のバンドギャップ内に十分に浅いp型の不純物レベルをもつ元素が存在しないために、室温近傍で抵抗率の低いp型炭化珪素が得られず、また、このp型炭化珪素と金属との接触抵抗も高くなる。したがって、炭化珪素を用いてMOSFET電力用半導体装置を構成した場合、特にp型炭化珪素で構成されるPウェルおよびこれと金属との接触抵抗の値が大きくなり、変位電流により発生する電圧も大きくなる。   Further, when such a MOSFET is formed using a silicon carbide semiconductor material, an element having a sufficiently shallow p-type impurity level does not exist in the band gap of silicon carbide. Type silicon carbide cannot be obtained, and the contact resistance between the p type silicon carbide and the metal also increases. Therefore, when a MOSFET power semiconductor device is configured using silicon carbide, the value of the contact resistance between the P-well composed of p-type silicon carbide and this metal is increased, and the voltage generated by the displacement current is also increased. Become.

このような理由で、ワイドバンドギャップ半導体材料、なかでも、炭化珪素を用いたMOSFET電力用半導体装置を高dV/dtで駆動した場合に、スイッチング時の変位電流によって発生する電圧がとりわけ大きくなる。   For this reason, when a MOSFET power semiconductor device using a wide band gap semiconductor material, particularly silicon carbide, is driven at a high dV / dt, the voltage generated by the displacement current at the time of switching becomes particularly large.

これに対し、ワイドバンドギャップ半導体材料で構成された本実施の形態の電力用半導体装置によれば、10V/nsecなどの高dV/dt条件で動作させたとしてもゲート絶縁膜30である二酸化珪素膜に印加される電界を小さくでき、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。   On the other hand, according to the power semiconductor device of the present embodiment formed of a wide band gap semiconductor material, silicon dioxide that is the gate insulating film 30 even when operated under a high dV / dt condition such as 10 V / nsec. The electric field applied to the film can be reduced, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained.

なお、本実施の形態の電力用半導体装置においては、オーミック電極71と第1ウェル領域41、第2ウェル領域42それぞれとの間の接触抵抗を下げるためにウェルコンタクト領域46、47を設けたものを説明したが、これらのウェルコンタクト領域46、47は必須のものではなく、なくてもよい。すなわち、オーミック電極71を形成する金属をp型炭化珪素に適したものに変更するなどして十分に接触抵抗の低いコンタクト抵抗が得られれば、これらウェルコンタクト領域46、47を形成する必要はない。また、第2ウェル領域42の外側の一部に耐圧構造であるp型の接合終端構造(Junction Termination Extension:JTE)領域を設けてもよい。フィールドストッパー領域81については、必須のものではなく、なくてもよい。   In the power semiconductor device of the present embodiment, well contact regions 46 and 47 are provided to reduce the contact resistance between the ohmic electrode 71 and the first well region 41 and the second well region 42, respectively. However, the well contact regions 46 and 47 are not essential and may be omitted. That is, if the contact resistance having a sufficiently low contact resistance is obtained by changing the metal forming the ohmic electrode 71 to one suitable for p-type silicon carbide, the well contact regions 46 and 47 need not be formed. . Further, a p-type junction termination structure (JTE) region which is a breakdown voltage structure may be provided in a part of the outside of the second well region 42. The field stopper region 81 is not essential and may be omitted.

さらに、本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法の説明において、ソースコンタクトホール61、ウェルコンタクトホール62の形成とゲートコンタクトホール64の形成とは別々に行なうこととしたが、ソースコンタクトホール61、ウェルコンタクトホール62の形成とゲートコンタクトホール64の形成とを同時に行なってもよい。ソースコンタクトホール61、ウェルコンタクトホール62の形成とゲートコンタクトホール64形成とを同時に行なうことにより、工程を削減でき製造時のコスト削減が可能になる。このとき、各構成の材料の選択によっては、ゲートコンタクトホール64の底面のゲート電極50表面にシリサイドが形成される場合がある。   Furthermore, in the description of the method for manufacturing the power semiconductor device according to the present embodiment, the formation of the source contact hole 61 and the well contact hole 62 and the formation of the gate contact hole 64 are performed separately. The well contact hole 62 and the gate contact hole 64 may be formed at the same time. By simultaneously forming the source contact hole 61 and the well contact hole 62 and the gate contact hole 64, the number of steps can be reduced and the manufacturing cost can be reduced. At this time, silicide may be formed on the surface of the gate electrode 50 on the bottom surface of the gate contact hole 64 depending on the selection of the material of each component.

また、電力用半導体装置においては、温度センサー用の電極および電流センサー用の電極が電力用半導体装置の一部に形成される場合があるが、本実施の形態における電力用半導体装置にこれらの電極が形成されていてもよい。温度センサー用の電極、電流センサー用の電極の有無が、本実施の形態の電力用半導装置の効果に何ら影響を及ぼすものではない。   Further, in the power semiconductor device, the temperature sensor electrode and the current sensor electrode may be formed in a part of the power semiconductor device, but these electrodes are included in the power semiconductor device in the present embodiment. May be formed. The presence / absence of the temperature sensor electrode and the current sensor electrode does not affect the effect of the power semiconductor device of the present embodiment.

また、図示して説明はしないが、電力用半導体装置の上部表面のソースパッド10、ゲートパッド11、ゲート配線12を、外部の制御回路と接続できるような開口を残して、シリコン窒化膜やポリイミドなどの保護膜で覆っても良い。   Although not shown and described, a silicon nitride film or polyimide is left, leaving openings for connecting the source pad 10, gate pad 11, and gate wiring 12 on the upper surface of the power semiconductor device to an external control circuit. It may be covered with a protective film.

さらに、本実施の形態の電力用半導体装置においては、ゲート電極50の材料として不純物添加多結晶シリコンを使用した例を説明したが、不純物添加多結晶シリコンの抵抗は十分に低くないため、ゲートパッド11との接続位置から離れた箇所のゲート電極50の電位は、ゲートパッド11、ゲート配線12の電位との間に時間的なずれを生じる場合がある。この時間的なずれは、ゲート電極50の抵抗などの抵抗成分およびソースパッド10などとの間にできる寄生容量で定まる時定数によって決まる。本実施の形態においては、外周部のゲート電極50に低抵抗のゲート配線12を並列に設けているので、上記のような時間的ずれの発生が抑制されている。   Further, in the power semiconductor device of the present embodiment, an example in which doped polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 50 has been described. However, since the resistance of the doped polycrystalline silicon is not sufficiently low, the gate pad In some cases, the potential of the gate electrode 50 at a location distant from the connection position with the gate 11 may be temporally shifted from the potential of the gate pad 11 and the gate wiring 12. This time shift is determined by a time constant determined by a resistance component such as the resistance of the gate electrode 50 and a parasitic capacitance formed between the source pad 10 and the like. In the present embodiment, the low-resistance gate wiring 12 is provided in parallel with the gate electrode 50 in the outer peripheral portion, so that the occurrence of the time shift as described above is suppressed.

また、本実施の形態の電力用半導体装置においては、第1ウェル領域41、第2ウェル領域42の各々のp型不純物濃度および深さが同一であるように説明し図示したが、これらの領域の不純物濃度および深さは同一である必要はなく、それぞれ別々の値であってもよい。   In the power semiconductor device of the present embodiment, the first well region 41 and the second well region 42 have been described and illustrated as having the same p-type impurity concentration and depth. The impurity concentration and the depth of each need not be the same, and may be different values.

また、本実施の形態の電力用半導体装置においては、ウェルコンタクト領域46、47はコンタクトホールの下部に個別に位置するように説明したが、ウェルコンタクト領域46、47は、断面奥行き方法に連続して形成されてもよい。   In the power semiconductor device of the present embodiment, the well contact regions 46 and 47 have been described as being individually located below the contact holes. However, the well contact regions 46 and 47 are continuous with the cross-sectional depth method. May be formed.

実施の形態2.
図10は、本発明の実施の形態2の電力用半導体装置である炭化珪素MOSFETを主とした電力用半導体装置を上面から模式的に見た平面図である。図10において、電力用半導体装置の上面の中央部には、ソースパッド10が設けられている。ソースパッド10を上面から見た内側にゲートパッド11が形成されており、ゲートパッド11よりも線幅の細い1本以上のゲート配線12がゲートパッド11から延伸して形成されている。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 10 is a plan view of a power semiconductor device mainly including a silicon carbide MOSFET, which is a power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, as viewed from above. In FIG. 10, a source pad 10 is provided at the center of the upper surface of the power semiconductor device. A gate pad 11 is formed inside the source pad 10 as viewed from above, and one or more gate wirings 12 having a line width narrower than the gate pad 11 are formed extending from the gate pad 11.

図10のソースパッド10、ゲートパッド11などの層より下部の層を上部から透視した平面図を図11に示す。また、図11の直線P上の位置Sを図12に示す。図12は、本実施の形態の電力用半導体装置の断面模式図である。図11に示す平面上のソースパッド10、ゲートパッド11配置の場合は、第2ウェル領域42の配置も実施の形態1(図2)の場合と異なる。この場合、「第2ウェル領域42において、第2ウェル領域42に接続されたウェルコンタクトホール62からの距離が最も遠い位置」は、図11にPと示すように、第2ウェル領域42の中心となるが、この場合でも、「第2ウェル領域42において、第2ウェル領域42に接続されたウェルコンタクトホール62からの距離が最も遠い位置」(P)と、そこから最も近いウェルコンタクトホール62(オーミックコンタクト71)(図11中のQ)との間においても、最も近いウェルコンタクトホール62(オーミック電極71)からゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界33までの距離と、フィールド絶縁膜31の膜厚を実施の形態で説明した数9の範囲にし、Emaxを10MV/cm、より好ましくは、3MV/cmとすることで、ゲート絶縁膜30とフィールド絶縁膜31の絶縁破壊を防ぎ、信頼性の高い素子が得られる。数12についても実施の形態1と同様である。 FIG. 11 is a plan view of the layers below the layers such as the source pad 10 and the gate pad 11 shown in FIG. Further, FIG. 12 shows the position S 2 on the straight line P 2 Q 2 in FIG. 11. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the power semiconductor device of the present embodiment. In the arrangement of the source pad 10 and the gate pad 11 on the plane shown in FIG. 11, the arrangement of the second well region 42 is also different from that in the first embodiment (FIG. 2). In this case, "in the second well region 42, farthest distance from the well contact hole 62 connected to the second well region 42 ', as shown with P 2 in FIG. 11, the second well region 42 Even in this case, even in this case, “the position where the distance from the well contact hole 62 connected to the second well region 42 is the farthest in the second well region 42” (P 2 ) and the nearest well contact. Also between the hole 62 (ohmic contact 71) (Q 2 in FIG. 11), the distance from the nearest well contact hole 62 (ohmic electrode 71) to the gate insulating film field insulating film boundary 33, and the field insulating film 31 the film thickness on the number 9 range described in the embodiments, E max of 10 MV / cm, more preferably, to a 3 MV / cm It is to prevent dielectric breakdown of the gate insulating film 30 and the field insulating film 31, a highly reliable device is obtained. Expression 12 is the same as that in the first embodiment.

このように、ゲートパッド11の位置、個数およびソースパッド10の形状等も多種多様のケースが有り得るが、本発明の電力用半導装置の効果に何ら影響を及ぼすものではない。   As described above, the position and number of the gate pads 11, the shape of the source pad 10, and the like can be in a wide variety of cases, but they do not affect the effect of the power semiconductor device of the present invention.

なお、上記実施の形態1、2では、セル領域に形成する半導体素子が縦型のMOSFETである場合を開示しているが、例えば図3の半導体基板20と裏面側の裏面オーミック電極72との間に第2導電型のコレクタ層を設けることによりIGBTのセル領域を有する半導体素子を構成しても、上述した本発明の効果がIGBTのセル領域を有する半導体素子に対しても同様に奏される。したがって、本発明の効力が及ぶ範囲は、MOSFETあるいはIGBT等のMOS構造を有するスイッチング素子としての半導体素子である。なお、半導体素子がIGBTの場合には、MOSFETのドレイン(電極)がコレクタ(電極)に相当し、MOSFETのソース(電極)がエミッタ(電極)に相当する。   In the first and second embodiments, the case where the semiconductor element formed in the cell region is a vertical MOSFET is disclosed. For example, the semiconductor substrate 20 of FIG. 3 and the back surface ohmic electrode 72 on the back surface side are disclosed. Even if a semiconductor element having an IGBT cell region is formed by providing a collector layer of the second conductivity type in between, the above-described effects of the present invention can be similarly achieved for a semiconductor element having an IGBT cell region. The Therefore, the scope of the present invention is a semiconductor element as a switching element having a MOS structure such as MOSFET or IGBT. When the semiconductor element is an IGBT, the drain (electrode) of the MOSFET corresponds to the collector (electrode), and the source (electrode) of the MOSFET corresponds to the emitter (electrode).

また、チャネル領域が半導体基板20表面と垂直に形成されるトレンチ型MOSFETにおいても、Emaxを10MV/cm、より好ましくは、3MV/cmとして、数9、数12の関係を満たすようにすることによって、高速でスイッチオフした場合においても、ゲート絶縁膜30、フィールド絶縁膜に印加される電界を所定の値以下に抑えることができ、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。 Also, in the trench type MOSFET in which the channel region is formed perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 20, E max is set to 10 MV / cm, more preferably 3 MV / cm, so that the relations of Equations 9 and 12 are satisfied. Thus, even when the switch-off is performed at high speed, the electric field applied to the gate insulating film 30 and the field insulating film can be suppressed to a predetermined value or less, and a highly reliable power semiconductor device can be obtained.

さらに、上記実施の形態1、2で示される電力用半導体装置の構造を備えれば、本発明の効果はその製造方法に依存するものではなく、実施の形態1、2で説明した製造方法以外の製造方法を用いて製造した電力用半導体装置構造においても、信頼性の高い電力用半導体装置構造を得ることができる。   Furthermore, if the structure of the power semiconductor device shown in the first and second embodiments is provided, the effect of the present invention does not depend on the manufacturing method, and other than the manufacturing method described in the first and second embodiments. Also in the power semiconductor device structure manufactured by using this manufacturing method, a highly reliable power semiconductor device structure can be obtained.

また、上記実施の形態1、2では、主に炭化珪素材料で構成された電力用半導体装置の例を説明したが、本発明は、炭化珪素構成された電力用半導体装置に限るものではなく、窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体材料やガリウム砒素材料、Si材料などの他の半導体材料で構成された電力用半導体装置であっても、同様の効果を奏する。また、本発明の効果は、半導体材料がワイドギャップ半導体である場合に顕著であり、例えば、半導体材料の炭化珪素、窒化ガリウム、窒化アルミニューム、ダイヤモンドなどに用いた半導体装置に本発明を適用した場合に、特に有効である。   In the first and second embodiments, examples of power semiconductor devices mainly composed of silicon carbide materials have been described. However, the present invention is not limited to power semiconductor devices composed of silicon carbide. A power semiconductor device composed of a wide band gap semiconductor material such as gallium nitride, another semiconductor material such as a gallium arsenide material, or a Si material has the same effect. The effect of the present invention is remarkable when the semiconductor material is a wide gap semiconductor. For example, the present invention is applied to a semiconductor device used for semiconductor materials such as silicon carbide, gallium nitride, aluminum nitride, and diamond. This is particularly effective when

また、実施の形態1、2で縦型MOSFETと説明した電力用半導体装置のゲート絶縁膜30は、必ずしもMOSの名の通りの二酸化珪素などの酸化膜である必要はなく、窒化珪素膜、酸化アルミニューム膜などの絶縁膜であってもよい。   In addition, the gate insulating film 30 of the power semiconductor device described as the vertical MOSFET in the first and second embodiments does not necessarily need to be an oxide film such as silicon dioxide as the name of the MOS. An insulating film such as an aluminum film may be used.

さらに、本発明においては、実施の形態1、2で記載したMOSFET構造を有する半導体素子自体を狭義の意味で「半導体装置」と定義するほかに、例えば、このMOSFET構造を有する半導体素子と、この半導体素子に対して逆並列に接続されるフリーホイールダイオードと、この半導体素子のゲート電圧を生成、印加する制御回路等と共にリードフレームに搭載して封止されたインバータモジュールのような、半導体素子を組み込んだパワーモジュール自体をも、広義の意味で「半導体装置」と定義することもできる。   Furthermore, in the present invention, in addition to defining the semiconductor element itself having the MOSFET structure described in the first and second embodiments as a “semiconductor device” in a narrow sense, for example, a semiconductor element having this MOSFET structure, A semiconductor element such as a freewheel diode connected in antiparallel to the semiconductor element and an inverter module mounted on a lead frame and sealed together with a control circuit for generating and applying a gate voltage of the semiconductor element. The incorporated power module itself can also be defined as a “semiconductor device” in a broad sense.

10 ソースパッド、11 ゲートパッド、12 ゲート配線、13 ドレイン電極、20 半導体基板、21 ドリフト層、30 ゲート絶縁膜、31 フィールド絶縁膜、32 層間絶縁膜、33 ゲート絶縁膜フィールド絶縁膜境界、41 第1ウェル領域、42 第2ウェル領域、46、47 ウェルコンタクト領域、50 ゲート電極、61 ソースコンタクトホール、62 ウェルコンタクトホール、64 ゲートコンタクトホール、71 オーミック電極、72 裏面オーミック電極、80 ソース領域、81 フィールドストッパー領域。   10 source pad, 11 gate pad, 12 gate wiring, 13 drain electrode, 20 semiconductor substrate, 21 drift layer, 30 gate insulating film, 31 field insulating film, 32 interlayer insulating film, 33 gate insulating film field insulating film boundary, 41 1 well region, 42 second well region, 46, 47 well contact region, 50 gate electrode, 61 source contact hole, 62 well contact hole, 64 gate contact hole, 71 ohmic electrode, 72 back ohmic electrode, 80 source region, 81 Field stopper area.

Claims (8)

炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、 前記ドリフト層の表層の、前記第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域と前記ソース領域の上および前記第2ウェル領域上の前記第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第2ウェル領域の上の前記第1ウェル領域側とは反対側に形成され前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜上および前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、前記第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、
前記炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、
を備え、
前記第2ウェル領域の内前記ウェルコンタクトホールまでの距離が最も大きい位置(P)から最近接の前記ウェルコンタクトホールの位置(Q)までの距離をxとし、直線PQ上で前記ウェルコンタクトホールの位置(Q)から前記ゲート絶縁膜と前記フィールド絶縁膜との境界(R)までの距離をxとして、doxを前記ゲート絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを前記第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εを前記ドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nを前記ドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態の前記ドレイン電極の電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たし、
前記所定の数式が数1であること
を特徴とする電力用半導体装置。
Figure 0006008145
A silicon carbide semiconductor substrate;
A drift layer using a silicon carbide material of a first conductivity type formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
A plurality of second well-conducting type first well regions formed in part of the surface layer of the drift layer;
A first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of each of the plurality of first well regions; and a second layer formed in a region different from the first well region of the surface layer of the drift layer. A second well region of conductivity type;
A plurality of first well regions, a gate insulating film formed on the source region and on the second well region on the first well region side;
A field insulating film formed on the side opposite to the first well region side above the second well region and having a thickness greater than that of the gate insulating film;
A gate electrode formed on the field insulating film and the gate insulating film;
The first well region and the second well region are electrically connected through a source contact hole formed on the first well region and a well contact hole formed on the second well region. A source pad,
A gate pad electrically connected to the gate electrode;
A drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
With
The distance from the distance is the largest position to an inner said well contact hole of said second well region (P) to the position of the well contact hole closest (Q) and x P, said well contact hole on a straight line PQ the distance from the position of (Q) to the boundary (R) of said field insulating film and the gate insulating film as x R, the thickness of the gate insulating film d ox, time switched from the oN state to the oFF state t , R SH is the sheet resistance of the second well region, ε 0 is the vacuum dielectric constant, ε S is the relative dielectric constant of the drift layer, q is the elementary charge, and N D is the effective first conductivity type impurity of the drift layer concentration, and the voltage of the drain electrode of the off state V oFF, E Ri max is 10 MV / cm der, the voltage V oFF of the drain electrode time derivative of 10V / nsec and to Rutoki, where Satisfy the equation relationship,
The power semiconductor device, wherein the predetermined mathematical formula is Formula 1.
Figure 0006008145
炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、 前記ドリフト層の表層の、前記第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域と前記ソース領域の上および前記第2ウェル領域上の前記第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第2ウェル領域の上の前記第1ウェル領域側とは反対側に形成され前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜上および前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、前記第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、
前記炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、
を備え、
前記フィールド絶縁膜の下部の前記第2ウェル領域のうち最も前記第1ウェル領域から遠い側の前記第2ウェル領域の外周の各位置(P’)から最近接の前記ウェルコンタクトホールの位置(Q’)を結ぶ直線上で、P’Q’間の距離をxP’とし、前記ウェルコンタクトホールの位置(Q’)から前記ゲート絶縁膜と前記フィールド絶縁膜との境界(R’)までの距離をxR’として、doxを前記ゲート絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを前記第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εを前記ドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nを前記ドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態の前記ドレイン電極の電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たし、
前記所定の数式が数2であること
を特徴とする電力用半導体装置。
Figure 0006008145
A silicon carbide semiconductor substrate;
A drift layer using a silicon carbide material of a first conductivity type formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
A plurality of second well-conducting type first well regions formed in part of the surface layer of the drift layer;
A first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of each of the plurality of first well regions; and a second layer formed in a region different from the first well region of the surface layer of the drift layer. A second well region of conductivity type;
A plurality of first well regions, a gate insulating film formed on the source region and on the second well region on the first well region side;
A field insulating film formed on the side opposite to the first well region side above the second well region and having a thickness greater than that of the gate insulating film;
A gate electrode formed on the field insulating film and the gate insulating film;
The first well region and the second well region are electrically connected through a source contact hole formed on the first well region and a well contact hole formed on the second well region. A source pad,
A gate pad electrically connected to the gate electrode;
A drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
With
The position of the well contact hole nearest to the position (P ′) of the outer periphery of the second well region farthest from the first well region among the second well regions below the field insulating film (Q 'on a straight line connecting the), P'Q' the distance between 'the position of the well contact hole (Q' x P from) to the boundary (R ') with the field insulating film and the gate insulating film The distance is xR , d ox is the thickness of the gate insulating film, t is the time for switching from the on state to the off state, R SH is the sheet resistance of the second well region, ε 0 is the vacuum dielectric constant, ε the dielectric constant of the S the drift layer, q the elementary charge, the effective first conductivity type impurity concentration of the N D the drift layer, the voltage of the drain electrode of the off state V oFF, E max is at 10 MV / cm Oh it is, of the drain electrode The time derivative of the pressure V OFF 10V / nsec and to Rutoki, satisfy a predetermined formula relationships,
2. The power semiconductor device according to claim 2, wherein the predetermined mathematical formula is Formula 2.
Figure 0006008145
炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、 前記ドリフト層の表層の、前記第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域と前記ソース領域の上および前記第2ウェル領域上の前記第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第2ウェル領域の上の前記第1ウェル領域側とは反対側に形成され前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜上および前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、前記第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、
前記炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、
を備え、
前記第2ウェル領域の内前記ウェルコンタクトホールまでの距離が最も大きい位置(P)から最近接の前記ウェルコンタクトホールの位置(Q)までの距離をxとし、直線PQ上で前記フィールド絶縁膜上で前記ウェルコンタクトホールの位置(Q)から最も離れた位置に前記ゲート電極がある位置(S)と前記ウェルコンタクトホールの位置(Q)との距離をxとして、dFLを前記フィールド絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを前記第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εを前記ドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nを前記ドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態のドレイン電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たし、
前記所定の数式が数3であること
を特徴とする電力用半導体装置。
Figure 0006008145
A silicon carbide semiconductor substrate;
A drift layer using a silicon carbide material of a first conductivity type formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
A plurality of second well-conducting type first well regions formed in part of the surface layer of the drift layer;
A first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of each of the plurality of first well regions; and a second layer formed in a region different from the first well region of the surface layer of the drift layer. A second well region of conductivity type;
A plurality of first well regions, a gate insulating film formed on the source region and on the second well region on the first well region side;
A field insulating film formed on the side opposite to the first well region side above the second well region and having a thickness greater than that of the gate insulating film;
A gate electrode formed on the field insulating film and the gate insulating film;
The first well region and the second well region are electrically connected through a source contact hole formed on the first well region and a well contact hole formed on the second well region. A source pad,
A gate pad electrically connected to the gate electrode;
A drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
With
The distance from the distance is the largest position to an inner said well contact hole of said second well region (P) to the position of the well contact hole closest (Q) and x P, said field insulating films on the straight line PQ the distance between the position of the well contact hole position (S) and the farthest from the location of the well contact hole above (Q) is the gate electrode (Q) as x S, wherein the field insulating the d FL The thickness of the film, the time for switching t from the on state to the off state, R SH is the sheet resistance of the second well region, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε S is the relative dielectric constant of the drift layer, and q is the prime charge, the effective first conductivity type impurity concentration of the N D the drift layer, a V oFF and the drain voltage in the off state, E max Ri is 10 MV / cm der, the voltage of the drain electrode V The time derivative of the OFF 10V / nsec and be Rutoki, satisfies a predetermined formula relationships,
The power semiconductor device, wherein the predetermined mathematical formula is Formula 3.
Figure 0006008145
炭化珪素半導体基板と、
前記炭化珪素半導体基板の第1の主面に形成された、第1導電型の炭化珪素材料を用いたドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に複数形成された第2導電型の第1ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域の各々の表層の一部に形成された第1導電型のソース領域と、 前記ドリフト層の表層の、前記第1ウェル領域とは別の領域に形成された第2導電型の第2ウェル領域と、
複数の前記第1ウェル領域と前記ソース領域の上および前記第2ウェル領域上の前記第1ウェル領域側に形成されたゲート絶縁膜と、
前記第2ウェル領域の上の前記第1ウェル領域側とは反対側に形成され前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜上および前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1ウェル領域上に形成されたソースコンタクトホール、および、前記第2ウェル領域上に形成されたウェルコンタクトホールを介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート電極と電気的に接続されたゲートパッドと、
前記炭化珪素半導体基板の第2の主面に設けられたドレイン電極と、
を備え、
前記フィールド絶縁膜の下部の前記第2ウェル領域のうち最も前記第1ウェル領域から遠い側の前記第2ウェル領域の外周の各位置(P’)から最近接の前記ウェルコンタクトホールの位置(Q’)を結ぶ直線上で、P’Q’間の距離をxP’とし、前記フィールド絶縁膜上で前記ウェルコンタクトホールの位置(Q’)から最も離れた位置に前記ゲート電極がある位置(S’)までの距離をxS’とし、dFLを前記フィールド絶縁膜の厚さ、tをオン状態からオフ状態に切り替わる時間、RSHを前記第2ウェル領域のシート抵抗、εを真空の誘電率、εを前記ドリフト層の比誘電率、qを素電荷、Nを前記ドリフト層の実効第1導電型不純物濃度、VOFFをオフ状態のドレイン電圧とし、Emaxが10MV/cmであり、前記ドレイン電極の電圧V OFF の時間微分を10V/nsecとするとき、所定の数式関係を満たし、
前記所定の数式が数4であること
を特徴とする電力用半導体装置。
Figure 0006008145
A silicon carbide semiconductor substrate;
A drift layer using a silicon carbide material of a first conductivity type formed on the first main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
A plurality of second well-conducting type first well regions formed in part of the surface layer of the drift layer;
A first conductivity type source region formed in a part of a surface layer of each of the plurality of first well regions; and a second layer formed in a region different from the first well region of the surface layer of the drift layer. A second well region of conductivity type;
A plurality of first well regions, a gate insulating film formed on the source region and on the second well region on the first well region side;
A field insulating film formed on the side opposite to the first well region side above the second well region and having a thickness greater than that of the gate insulating film;
A gate electrode formed on the field insulating film and the gate insulating film;
The first well region and the second well region are electrically connected through a source contact hole formed on the first well region and a well contact hole formed on the second well region. A source pad,
A gate pad electrically connected to the gate electrode;
A drain electrode provided on the second main surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
With
The position of the well contact hole nearest to the position (P ′) of the outer periphery of the second well region farthest from the first well region among the second well regions below the field insulating film (Q The distance between P′Q ′ is xP ′ on the straight line connecting “) ”, and the position where the gate electrode is located farthest from the position (Q ′) of the well contact hole on the field insulating film ( X FL ' is the distance to S ′), d FL is the thickness of the field insulating film, t is the time for switching from the on state to the off state, R SH is the sheet resistance of the second well region, and ε 0 is the vacuum the dielectric constant, and ε the dielectric constant of the S the drift layer, q the elementary charge, the effective first conductivity type impurity concentration of the N D the drift layer, a V oFF and the drain voltage in the off state, E max is 10 MV / cm der is, the drain The time derivative of the voltage V OFF of emission electrodes 10V / nsec and to Rutoki, satisfy a predetermined formula relationships,
The power semiconductor device, wherein the predetermined mathematical formula is Formula 4.
Figure 0006008145
前記Emaxが3MV/cmであるとき、前記所定の数式関係を満たすこと
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
5. The power semiconductor device according to claim 1, wherein when the E max is 3 MV / cm, the predetermined mathematical relationship is satisfied.
前記ゲート絶縁膜および前記フィールド絶縁膜の上部に層間絶縁膜を備え、x、xP’、x、xR’、またはxS’が前記層間絶縁膜の膜厚より大きいことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 An interlayer insulating film is provided on the gate insulating film and the field insulating film, and x P , x P ′ , x R , x R ′, x S or x S ′ is larger than the film thickness of the interlayer insulating film. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the power semiconductor device is a power semiconductor device. 前記フィールド絶縁膜が0.5μm以上2μm以下の厚さを有すること
を特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the field insulating film and having a thickness of 2μm or more 0.5 [mu] m.
前記電力用半導体装置がトレンチ型であること
を特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the power semiconductor device is a trench type.
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