JP6626807B2 - Semiconductor device, power module and power converter - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置、パワーモジュールおよび電力変換装置に関し、特に、炭化ケイ素を用いたパワーデバイスの構造に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, a power module, and a power converter, and more particularly, to a structure of a power device using silicon carbide.

半導体パワーデバイスには高耐圧のほか、低オン抵抗、低スイッチング損失が要求されるが、現在の主流であるケイ素(Si)パワーデバイスは理論的な性能限界に近づいている。炭化ケイ素(SiC)はSiと比較して絶縁破壊電界強度が約1桁大きいため、耐圧を保持するドリフト層を約1/10に薄く、不純物濃度を約100倍高くすることで、素子抵抗を理論上3桁以上低減できる。また、Siに対してバンドギャップが約3倍大きいことから高温動作も可能であり、SiCパワーデバイスは、Siパワーデバイスを超える性能が期待されている。   Semiconductor power devices are required to have high withstand voltage, low on-resistance, and low switching loss, but silicon (Si) power devices, which are currently the mainstream, are approaching their theoretical performance limits. Silicon carbide (SiC) has a breakdown electric field strength about one order of magnitude higher than that of Si. Therefore, the element resistance can be reduced by making the drift layer holding the breakdown voltage about 1/10 thinner and increasing the impurity concentration about 100 times. Theoretically, it can be reduced by three digits or more. Further, since the band gap is about three times larger than that of Si, high-temperature operation is possible, and the performance of the SiC power device is expected to exceed that of the Si power device.

前述したように、SiCはSiと比較して、バンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が大きいと言った特徴を有するが、SiCをMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)などの素子に適用した場合、素子を構成する絶縁膜にかかる電界が問題となる。   As described above, SiC has characteristics such as a larger band gap and a higher breakdown electric field strength than Si, but SiC is applied to devices such as MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). In such a case, an electric field applied to the insulating film constituting the element becomes a problem.

例えば、特許文献1には、n型半導体基板がSiCで構成されるSiC−MOSFETが開示されている。このSiC−MOSFETは、n型ドリフト層内に設けられた複数のp型ウエル層の内で、最も横断面積が大きい、ゲート電極用パッド部の直下に位置する最外周のp型ウエル層の上面上に、p型半導体層が全面的にまたは部分的に配設されている。   For example, Patent Document 1 discloses a SiC-MOSFET in which an n-type semiconductor substrate is made of SiC. This SiC-MOSFET has the largest cross-sectional area among a plurality of p-type well layers provided in the n-type drift layer, and has an upper surface of an outermost p-type well layer located immediately below a gate electrode pad portion. A p-type semiconductor layer is entirely or partially provided thereon.

また、特許文献2には、ゲート電極パッドの下方にあるウエル領域の表層に低抵抗でn型の低抵抗領域を設けた、炭化珪素電力用半導体装置が開示されている。そして、かかる構成により、ゲート絶縁膜の絶縁破壊の発生を抑制することが開示されている。   Patent Document 2 discloses a silicon carbide power semiconductor device in which a low-resistance, n-type low-resistance region is provided in a surface layer of a well region below a gate electrode pad. It is disclosed that such a configuration suppresses the occurrence of dielectric breakdown of the gate insulating film.

国際公開第WO2010/098249号International Publication No. WO2010 / 098249 特許第5539355号公報Japanese Patent No. 5539355

本発明者は、SiCを用いたMOSFETについての研究・開発に従事している。その中で、MOSFETを構成する絶縁膜の中でも比較的膜厚の大きい絶縁膜(フィールド酸化膜)の劣化が問題となる事象に直面した。   The present inventor is engaged in research and development on MOSFETs using SiC. In this situation, there has been encountered an event that deterioration of an insulating film (field oxide film) having a relatively large thickness among the insulating films constituting the MOSFET becomes a problem.

そこで、上記問題点の原因を探求し、特性の良好な半導体装置の構成を見出すに至った。   Then, the cause of the above-mentioned problem was searched for, and a configuration of a semiconductor device having good characteristics was found.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   The outline of a typical embodiment among the embodiments disclosed in the present application will be briefly described as follows.

本願において開示される一実施の形態に示される半導体装置は、基板の上面上に形成され、炭化ケイ素を含む第1導電型の半導体層と、素子形成領域の外周部において、上記半導体層の上部に形成された上記第1導電型と逆導電型である第2導電型の第1ウエル領域と、上記第1ウエル領域中に形成された上記第2導電型の第1半導体領域と、を有する。さらに、上記素子形成領域に形成され、上記半導体層の上部に形成された上記第2導電型の第2ウエル領域と、上記第2ウエル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有する半導体素子と、上記ゲート電極と接続されたゲートパッドと、を有する。そして、上記第1ウエル領域は、上記ゲートパッドの形成領域に延在し、上記ゲート電極は、上記ゲートパッドの形成領域において、上記第1ウエル領域上に第1絶縁膜を介して配置されている。さらに、上記ゲートパッドの形成領域において、上記第1ウエル領域中に形成された上記第2導電型の第2半導体領域を有する。   A semiconductor device according to an embodiment disclosed in the present application is formed on a top surface of a substrate, a first conductivity type semiconductor layer containing silicon carbide, and an upper portion of the semiconductor layer at an outer peripheral portion of an element formation region. A first well region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type and formed in the first well region; and a first semiconductor region of the second conductivity type formed in the first well region. . Further, a second well region of the second conductivity type formed in the element formation region and formed on the semiconductor layer, and a gate electrode formed on the second well region with a gate insulating film interposed therebetween. And a gate pad connected to the gate electrode. The first well region extends to the gate pad formation region, and the gate electrode is disposed on the first well region via the first insulating film in the gate pad formation region. I have. The semiconductor device further includes a second semiconductor region of the second conductivity type formed in the first well region in a formation region of the gate pad.

本願において開示される代表的な実施の形態に示される半導体装置によれば、半導体装置の特性を向上させることができる。また、この半導体装置を用いたパワーモジュールや、電力変換装置の性能を向上させることができる。   According to the semiconductor device shown in the typical embodiment disclosed in the present application, characteristics of the semiconductor device can be improved. In addition, the performance of a power module and a power converter using the semiconductor device can be improved.

実施の形態1の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a configuration of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a configuration of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の比較例の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device of a comparative example of the first embodiment. 実施の形態1の比較例の半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a comparative example of the first embodiment. 実施の形態1の比較例の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device of a comparative example of the first embodiment. インバータ回路図である。It is an inverter circuit diagram. インバータを構成するMOSFETのスイッチング時の電流・電圧波形の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a current / voltage waveform at the time of switching of a MOSFET constituting an inverter. 比較例の半導体装置のゲートパッド部近傍の構成を模式的に示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration near a gate pad portion of a semiconductor device of a comparative example. 実施の形態1のゲートパッド部近傍の構成を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration near a gate pad unit according to the first embodiment. 印加パルスの波形を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a waveform of an applied pulse. TCADを用いたシミュレーション結果を示す図である。It is a figure showing a simulation result using TCAD. 検討例の半導体装置の構成を示す平面図である。It is a top view showing the composition of the semiconductor device of a study example. 検討例の半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device of a study example. 検討例の半導体装置の構成を示す平面図である。It is a top view showing the composition of the semiconductor device of a study example. 結晶に加わる応力の測定結果を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a measurement result of a stress applied to a crystal. 結晶に加わる応力の測定結果を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a measurement result of a stress applied to a crystal. 結晶に加わる応力の測定結果を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a measurement result of a stress applied to a crystal. 実施の形態2の電力変換装置(インバータ)の回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram of a power conversion device (inverter) according to a second embodiment. 実施の形態3の電気自動車の構成を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of an electric vehicle according to a third embodiment. 実施の形態3の昇圧コンバータの回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of a boost converter according to a third embodiment. 実施の形態4の鉄道車両のコンバータおよびインバータを含む回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram including a converter and an inverter of a railway vehicle according to a fourth embodiment. 実施の形態5の応用例1の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 39 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device of Application Example 1 of the fifth embodiment. 実施の形態5の応用例1の半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 39 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device of Application Example 1 of the fifth embodiment. 実施の形態5の応用例2の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 39 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device of Application Example 2 of the fifth embodiment. 実施の形態5の応用例2の半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 39 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device of Application Example 2 of the fifth embodiment. 実施の形態5の応用例2の半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 39 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device of Application Example 2 of the fifth embodiment.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かりやすくするために、平面図または斜視図等であってもハッチングを付す場合がある。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かりやすくするために、断面図においてハッチングを省略する場合がある。また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, members having the same functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted. In the embodiments, the same or similar portions will not be described in principle unless otherwise necessary. Further, in the drawings for describing the embodiments, hatching is used even in a plan view or a perspective view in order to make the configuration easy to understand. Further, in the drawings for describing the embodiments, hatching may be omitted in cross-sectional views in order to make the configuration easy to understand. In the cross-sectional view and plan view, the size of each part does not correspond to the size of the actual device, and a specific part may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand. Further, even when the cross-sectional view and the plan view correspond to each other, a specific portion may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand.

また、符号「」および「」は、導電型がn型またはp型の不純物の相対的な濃度を表しており、例えばn型不純物の場合は、「n」、「n」、「n」の順に不純物濃度が高くなる。 The sign "-" and "+", the conductive type represents the relative concentration of the n-type or p-type impurities, if for example, the n-type impurity, "n -", "n", " The impurity concentration increases in the order of “n + ”.

(実施の形態1)
以下、図面を参照しながら本実施の形態の半導体装置について詳細に説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the semiconductor device of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

[構造説明]
図1〜図3は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図または平面図である。図1および図3は、平面図であり、図2は、断面図である。断面図において、(A)、(B)、(C)は、それぞれ、平面図のA−A断面部、B−B断面部、C−C断面部に対応する。
[Structure description]
1 to 3 are sectional views or plan views showing the configuration of the semiconductor device of the present embodiment. 1 and 3 are plan views, and FIG. 2 is a cross-sectional view. In the cross-sectional views, (A), (B), and (C) correspond to the AA cross section, the BB cross section, and the CC cross section in the plan view, respectively.

本実施の形態の半導体装置は、SiC(炭化ケイ素)MOSFETを有する半導体装置(半導体チップ)である。   The semiconductor device of the present embodiment is a semiconductor device (semiconductor chip) having a SiC (silicon carbide) MOSFET.

上記MOSFET(半導体素子)は、セル領域に形成され、セル領域は、周辺領域により囲まれている。即ち、半導体装置(半導体チップ)の内部がセル領域であり、その外周部が、周辺領域となる。   The MOSFET (semiconductor element) is formed in a cell region, and the cell region is surrounded by a peripheral region. That is, the inside of the semiconductor device (semiconductor chip) is a cell region, and the outer peripheral portion is a peripheral region.

セル領域には、図2(C)に示すMOSFET、図2(B)に示すゲートパッドGPやソース電極SEなどが形成される。また、周辺領域には、p型の半導体領域(ターミネーション領域)TMやその外周のn型の半導体領域NRなどが形成される。 In the cell region, the MOSFET shown in FIG. 2C, the gate pad GP and the source electrode SE shown in FIG. 2B are formed. In the peripheral region, a p-type semiconductor region (termination region) TM and an n + -type semiconductor region NR on the outer periphery thereof are formed.

図1においては、n型のSiC基板NS上のSiCよりなるn型のn型の半導体層(エピタキシャル層)NDの主表面に設けられた種々の半導体領域を示す。n型の半導体層NDは、主としてドリフト層となる。即ち、図1においては、n型の半導体層NDの上面を示しており、n型の半導体層ND上のゲート絶縁膜、ゲート電極、層間絶縁膜、ゲートパッド、ソース電極などの図示を省略している。 FIG. 1 shows various semiconductor regions provided on the main surface of an n-type n -type semiconductor layer (epitaxial layer) ND made of SiC on an n + -type SiC substrate NS. The n type semiconductor layer ND mainly becomes a drift layer. That is, FIG. 1 shows the top surface of the n type semiconductor layer ND, and illustrates a gate insulating film, a gate electrode, an interlayer insulating film, a gate pad, a source electrode, and the like on the n type semiconductor layer ND. Omitted.

具体的には、図1においては、上記周辺領域の、p型の半導体領域(ターミネーション領域)TMとn型の半導体領域NRと、が示されている。また、セル領域の、p型の半導体領域GRa、GRb、PRGと、p型の半導体領域GRa、GRb、PRGを内在するp型ボディ領域PBと、を示している。また、MOSFETを構成するソース領域SRと、ソース領域に隣接するp型の半導体領域PRと、ソース領域SRと、p型の半導体領域PRを内在するp型ボディ領域PBと、を示している。なお、ここでは、セル領域は、p型の半導体領域(ターミネーション領域)TMの内側を意味するものとする。 Specifically, FIG. 1 shows a p-type semiconductor region (termination region) TM and an n + -type semiconductor region NR in the peripheral region. In addition, a p + -type semiconductor region GRa, GRb, and PRG and a p + -type semiconductor region GRa, GRb, and a p-type body region PB that includes the p + -type semiconductor region are shown in the cell region. Further, a source region SR forming a MOSFET, ap + type semiconductor region PR adjacent to the source region, a source region SR, and ap type body region PB containing the p + type semiconductor region PR are shown. I have. Here, the cell region means inside the p-type semiconductor region (termination region) TM.

ここで、本実施の形態においては、図1に示すように、ゲートパッド(GP)が配置される領域(図1中の破線で囲んだ領域)GPAにおいて、SiC基板NSの<11−20>方向に垂直な方向に、長辺を有する略矩形状のp型の半導体領域PRGを設けてある。このような略矩形状のp型の半導体領域PRGが所定の間隔を開けて<11−20>方向に並んで配置されている。 Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, in a region GPA where a gate pad (GP) is arranged (region surrounded by a broken line in FIG. 1), <11-20> of SiC substrate NS A substantially rectangular p + type semiconductor region PRG having a long side is provided in a direction perpendicular to the direction. Such approximately rectangular p + -type semiconductor regions PRG are arranged side by side at predetermined intervals in the <11-20> direction.

このように、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中に、この層より濃度の高いp型の半導体領域PRGを設けたので、サージ電圧の発生を抑制することができる。また、p型の半導体領域PRGをゲートパッドGPの形成領域(GPA)に対応する領域の全面ではなく、一部の領域に配置したので、結晶欠陥の影響を抑制することができる。さらに、結晶欠陥が生じ易い、<11−20>方向に並行な方向へのp型の半導体領域PRGの配置を極力避け、<11−20>方向に垂直な方向に延在するようにp型の半導体領域PRGを矩形状に配置したので、結晶欠陥の影響を効果的に抑制することができる。詳細は、後述する。 As described above, since the p + -type semiconductor region PRG having a higher concentration than this layer is provided in the p-type body region PB below the gate pad GP, generation of a surge voltage can be suppressed. Further, since the p + type semiconductor region PRG is arranged not in the entire region corresponding to the formation region (GPA) of the gate pad GP but in a part of the region, the influence of crystal defects can be suppressed. Further, the arrangement of the p + -type semiconductor region PRG in a direction parallel to the <11-20> direction in which crystal defects easily occur is minimized, and the p + -type semiconductor region PRG extends in a direction perpendicular to the <11-20> direction. Since the + type semiconductor region PRG is arranged in a rectangular shape, the influence of crystal defects can be effectively suppressed. Details will be described later.

次いで、図1〜図3を参照しながら、本実施の形態の半導体装置の構成を以下に説明する。   Next, the configuration of the semiconductor device of the present embodiment will be described below with reference to FIGS.

半導体装置の中央部に配置されているセル領域には、セル構造からなる複数のMOSFETが形成されている。このMOSFETは、プレーナ型のDMOS(Double diffused Metal Oxide Semiconductor)構造のMOSFETである。図2(C)に示すように、MOSFETは、n型のソース領域SRと、チャネル領域となるp型ボディ領域PBと、チャネル領域上にゲート絶縁膜GIを介して配置されたゲート電極GEとを有する。なお、n型のSiC基板NSが、ドレイン領域として機能する。 A plurality of MOSFETs each having a cell structure are formed in a cell region arranged at the center of the semiconductor device. This MOSFET is a planar type MOSFET having a double diffused metal oxide semiconductor (DMOS) structure. As shown in FIG. 2C, the MOSFET includes an n + -type source region SR, a p-type body region PB serving as a channel region, and a gate electrode GE disposed on the channel region via a gate insulating film GI. And Note that the n + -type SiC substrate NS functions as a drain region.

p型ボディ領域PBに囲まれるようにn型のソース領域SRが配置され、n型のソース領域SRの内側にp型の半導体領域PRが配置されている。p型の半導体領域PRは、ソース領域SRを引き出すためのコンタクト領域となる。また、p型ボディ領域PBとその下層のn型の半導体層(ドリフト層)NDとはダイオード(即ち、ボディダイオード)を構成する。 An n + type source region SR is arranged so as to be surrounded by p type body region PB, and ap + type semiconductor region PR is arranged inside n + type source region SR. The p + type semiconductor region PR becomes a contact region for extracting the source region SR. The p-type body region PB and an n type semiconductor layer (drift layer) ND below the p-type body region PB constitute a diode (that is, a body diode).

このように、半導体装置内にボディダイオードを内蔵させることで、別途ダイオードを搭載したチップを用意する必要がなくなるため、装置の小型化および軽量化が可能となる。   As described above, by incorporating a body diode in a semiconductor device, it is not necessary to prepare a chip on which a diode is separately mounted, so that the device can be reduced in size and weight.

図1においては、平面形状が正方形状のp型ボディ領域PBの内側に、平面形状が正方形状のソース領域SRが配置され、さらに、平面形状が正方形状のソース領域SRの内側に平面形状が正方形状のp型の半導体領域PRが配置されている。このような構成のユニット領域がアレイ状に配置され、例えば、ユニット領域間(隣り合うp型の半導体領域PR間)上にゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEが配置されている(図2参照)。ゲート電極GEは絶縁膜(層間絶縁膜)IL2で覆われ、p型の半導体領域PRは、コンタクトホールC1S内のプラグを介してソース電極SEと接続されている。また、ゲート電極GEは、コンタクトホールC1GE内のプラグを介してゲートパッドGPと接続されている。なお、ゲートパッドGPは、セル領域をサブセル領域に区画する十字状のゲートフィンガーGFを有する(図3参照)。 In FIG. 1, a source region SR having a square planar shape is arranged inside a p-type body region PB having a square planar shape, and a planar shape is located inside a source region SR having a square planar shape. A square p + type semiconductor region PR is arranged. The unit regions having such a configuration are arranged in an array. For example, a gate electrode GE is arranged between unit regions (between adjacent p + -type semiconductor regions PR) via a gate insulating film GI (FIG. 2). The gate electrode GE is covered with an insulating film (interlayer insulating film) IL2, and the p + type semiconductor region PR is connected to the source electrode SE via a plug in the contact hole C1S. Further, the gate electrode GE is connected to the gate pad GP via a plug in the contact hole C1GE. Note that the gate pad GP has a cross-shaped gate finger GF that partitions the cell region into a sub-cell region (see FIG. 3).

ここで、ゲートパッドGP下や、周辺領域においては、半導体層の上部に絶縁膜(フィールド酸化膜)IL1が配置されている。この絶縁膜(フィールド酸化膜)IL1が、サージ電圧の影響を受け、破壊される恐れがあったが、本実施の形態においては、p型の半導体領域PRGを設けることにより、後述するように、サージ電圧の発生を抑制することができ、絶縁膜(フィールド酸化膜)IL1の破壊を抑制することができる。 Here, under the gate pad GP and in the peripheral region, an insulating film (field oxide film) IL1 is disposed above the semiconductor layer. The insulating film (field oxide film) IL1 may be damaged by the influence of the surge voltage, but in the present embodiment, by providing the p + type semiconductor region PRG, as described later. In addition, generation of a surge voltage can be suppressed, and destruction of the insulating film (field oxide film) IL1 can be suppressed.

[製法説明]
次いで、本実施の形態の半導体装置の製造工程を説明するとともに、本実施の形態の半導体装置の構造をより明確にする。図4〜図16は、本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図または平面図である。
[Production method explanation]
Next, the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment will be described, and the structure of the semiconductor device of the present embodiment will be clarified. 4 to 16 are cross-sectional views or plan views showing the manufacturing steps of the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図4に示すように、n型のSiC基板NSを準備する。SiC基板NSにはn型の不純物が比較的高い濃度で導入されている。このn型不純物は例えば窒素(N)であり、このn型不純物の不純物濃度は例えば、1×1017〜1×1019cm−3である。SiC基板NSの主面は例えば{0001}面である。 First, as shown in FIG. 4, an n + -type SiC substrate NS is prepared. An n-type impurity is introduced into the SiC substrate NS at a relatively high concentration. The n-type impurity is, for example, nitrogen (N), and the impurity concentration of the n-type impurity is, for example, 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 . The main surface of the SiC substrate NS is, for example, a {0001} surface.

次いで、SiC基板NSの主面上に、n型の半導体層NDを形成する。例えば、SiC基板NSの主面上に、エピタキシャル成長法によりSiCのn型の半導体層(エピタキシャル層)を形成する。n型の半導体層NDには、SiC基板NSの不純物濃度よりも低いn型不純物が導入されている。n型の半導体層NDの不純物濃度は、素子の定格耐圧に依存し、例えば1×1014〜1×1017cm−3である。また、n型の半導体層NDの厚さは例えば30μmである。n型の半導体層NDの厚さは、素子の耐圧に応じて例えば3〜80μmの範囲で調整することができる。 Next, an n type semiconductor layer ND is formed on the main surface of the SiC substrate NS. For example, an SiC n - type semiconductor layer (epitaxial layer) is formed on the main surface of the SiC substrate NS by an epitaxial growth method. An n-type impurity lower than the impurity concentration of the SiC substrate NS is introduced into the n -type semiconductor layer ND. The impurity concentration of the n type semiconductor layer ND depends on the rated withstand voltage of the element and is, for example, 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 . The thickness of the n type semiconductor layer ND is, for example, 30 μm. The thickness of the n type semiconductor layer ND can be adjusted within a range of, for example, 3 to 80 μm according to the withstand voltage of the element.

次いで、図5に示すように、素子領域(素子形成領域、活性領域)を囲む周辺領域に、p型の半導体領域TMを形成する。例えば、p型の半導体領域TMの形成領域に開口部を有するマスク膜(図示せず、例えば、酸化シリコン膜)を形成し、p型不純物(例えばアルミニウム(Al))をイオン注入する。これにより、素子領域を囲む周辺領域のn型の半導体層ND中に、矩形環状のp型の半導体領域TMを形成することができる(図1参照)。p型の半導体領域TMの深さは、n型の半導体層NDの表面から例えば0.5〜2.0μm程度である。また、p型の半導体領域TMの不純物濃度は、例えば1×1016〜5×1019cm−3である。 Next, as shown in FIG. 5, a p-type semiconductor region TM is formed in a peripheral region surrounding the element region (element formation region, active region). For example, a mask film (not shown, for example, a silicon oxide film) having an opening is formed in the formation region of the p-type semiconductor region TM, and p-type impurities (for example, aluminum (Al)) are ion-implanted. Thus, a rectangular annular p-type semiconductor region TM can be formed in the n -type semiconductor layer ND in the peripheral region surrounding the element region (see FIG. 1). The depth of the p-type semiconductor region TM is, for example, about 0.5 to 2.0 μm from the surface of the n -type semiconductor layer ND. The impurity concentration of the p-type semiconductor region TM is, for example, 1 × 10 16 to 5 × 10 19 cm −3 .

次いで、上記マスクを除去した後、素子領域に、p型の半導体領域であるp型ボディ領域(p型ウエル領域ともいう)PBをアレイ状に形成する(図1参照)。また、この際、図1に示すp型の半導体領域GRa、GRb、PRGの形成領域を含む領域にも、p型ボディ領域PBを形成する。 Next, after removing the mask, a p-type body region (also referred to as a p-type well region) PB, which is a p-type semiconductor region, is formed in an array in the element region (see FIG. 1). At this time, the p-type body region PB is also formed in the region including the formation region of the p + -type semiconductor regions GRa, GRb, and PRG shown in FIG.

例えば、p型ボディ領域PBの形成領域に開口部を有するマスク膜(図示せず、例えば、酸化シリコン膜)を形成し、p型不純物(例えばアルミニウム(Al))をイオン注入する。これにより、素子領域の外周にp型ボディ領域PBを形成する。p型ボディ領域PBの深さは、n型の半導体層NDの表面から例えば0.5〜2.0μm程度である。また、p型ボディ領域PBの不純物濃度は、例えば1×1016〜1×1019cm−3である。これにより、素子領域に正方形状のp型ボディ領域PBがアレイ状に複数形成される。また、p型の半導体領域TMの内側に、矩形環状のp型ボディ領域PBが形成される。また、矩形環状のp型ボディ領域PBの内側を4分割するように、十字状のp型ボディ領域PBが形成される。また、ゲートパッド(GP)が配置される領域(図1中の破線で囲んだ領域)GPAに、p型ボディ領域PBが形成される(図8参照)。領域GPAの、縦方向の長さ(<11−20>方向に垂直な方向の長さ)は、例えば、500〜1000μm程度であり、横方向の長さ(<11−20>方向の長さ)は、例えば、500〜2000μm程度である。 For example, a mask film (not shown, for example, a silicon oxide film) having an opening is formed in the formation region of the p-type body region PB, and p-type impurities (for example, aluminum (Al)) are ion-implanted. Thus, a p-type body region PB is formed on the outer periphery of the element region. The depth of p-type body region PB is, for example, about 0.5 to 2.0 μm from the surface of n type semiconductor layer ND. Further, the impurity concentration of the p-type body region PB is, for example, 1 × 10 16 to 1 × 10 19 cm −3 . Thereby, a plurality of square p-type body regions PB are formed in the element region in an array. A rectangular annular p-type body region PB is formed inside the p-type semiconductor region TM. A cross-shaped p-type body region PB is formed so as to divide the inside of the rectangular annular p-type body region PB into four parts. Further, a p-type body region PB is formed in a region (a region surrounded by a broken line in FIG. 1) GPA where the gate pad (GP) is arranged (see FIG. 8). The length in the vertical direction (length in the direction perpendicular to the <11-20> direction) of the region GPA is, for example, about 500 to 1000 μm, and the length in the horizontal direction (length in the <11-20> direction). ) Is, for example, about 500 to 2000 μm.

次いで、上記マスク膜を除去した後、図6に示すように、素子領域のp型ボディ領域PB中に、ソース領域SRを形成する。また、この際、p型の半導体領域TMの外周に、n型の半導体領域NRを形成する。 Next, after removing the mask film, a source region SR is formed in the p-type body region PB in the element region as shown in FIG. At this time, an n + type semiconductor region NR is formed on the outer periphery of the p type semiconductor region TM.

例えば、ソース領域SRおよびn型の半導体領域NRの形成領域に開口を有するマスク膜(図示せず)をマスクとして、n型不純物(例えば窒素(N))をイオン注入することによりn型のソース領域SR等を形成する。ソース領域SRは、例えば、素子領域にアレイ状に形成される。ソース領域SRは、平面視において、略正方形状のp型ボディ領域PBの中央部に形成する(図9参照)。ソース領域SR等のn型の半導体層NDの上面からの深さは、例えば0.05〜1.0μm程度である。また、ソース領域SR等の不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1020cm−3である。 For example, n + -type by mask film having an opening in the formation region of the source region SR and the n + -type semiconductor region NR (not shown) as a mask, the n-type impurity (e.g., nitrogen (N)) is ion-implanted Is formed. The source region SR is formed in, for example, an array in the element region. The source region SR is formed at the center of the substantially square p-type body region PB in plan view (see FIG. 9). The depth from the upper surface of the n type semiconductor layer ND such as the source region SR is, for example, about 0.05 to 1.0 μm. The impurity concentration of the source region SR and the like is, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 .

次いで、上記マスク膜を除去した後、図7、図8に示すように、素子領域においてソース領域SRの内側に、p型の半導体領域PRを形成する。p型の半導体領域PRは、ソース電極SEとソース領域SRとのコンタクト領域となる。例えば、p型の半導体領域PRの形成領域に開口を有するマスク膜(図示せず)をマスクとして、p型不純物(例えばアルミニウム(Al))をイオン注入することによりp型の半導体領域PRを形成する。また、上記イオン注入工程において、素子領域の外周のp型ボディ領域PB中に、環状のp型の半導体領域GRaを形成し、素子領域の十字状のp型ボディ領域PB中に、十字状のp型の半導体領域GRbを形成する。 Next, after removing the mask film, as shown in FIGS. 7 and 8, ap + type semiconductor region PR is formed inside the source region SR in the element region. The p + type semiconductor region PR becomes a contact region between the source electrode SE and the source region SR. For example, using a mask film (not shown) having an opening in the formation region of the p + -type semiconductor region PR as a mask, ions of a p-type impurity (for example, aluminum (Al)) are implanted into the p + -type semiconductor region PR. To form Further, in the ion implantation step, an annular p + -type semiconductor region GRa is formed in the p-type body region PB on the outer periphery of the element region, and a cross-shaped p-type body region PB in the element region is formed. The p + type semiconductor region GRb is formed.

さらに、上記イオン注入工程において、後述するゲートパッド(GP)が配置される領域(図8中の破線で囲んだ領域)GPAの、p型ボディ領域PB中にp型の半導体領域PRGを形成する。p型の半導体領域PRGは、SiC基板NSの<11−20>方向に垂直な方向に、長辺を有する略矩形状のパターンである。このような略矩形状のパターン(p型の半導体領域PRG)が所定の間隔を開けて<11−20>方向に並んで配置されている。ここでは、5本のp型の半導体領域PRGが領域GPAに設けられ、中央に位置するp型の半導体領域PRGは、p型の半導体領域GRbと接続されている。また、5本のp型の半導体領域PRGは、環状のp型の半導体領域GRaと接続されている。具体的には、環状のp型の半導体領域GRaのうち、<11−20>方向(図8中横方向)に延在する部分と、5本のp型の半導体領域PRGの一端が接続されている。 Further, in the ion implantation step, ap + -type semiconductor region PRG is formed in the p-type body region PB of a region (a region surrounded by a broken line in FIG. 8) GPA in which a gate pad (GP) described later is arranged. I do. The p + type semiconductor region PRG is a substantially rectangular pattern having long sides in a direction perpendicular to the <11-20> direction of the SiC substrate NS. Such substantially rectangular patterns (p + type semiconductor regions PRG) are arranged side by side in the <11-20> direction at a predetermined interval. Here, five p + -type semiconductor regions PRG are provided in the region GPA, and the p + -type semiconductor region PRG located at the center is connected to the p + -type semiconductor region GRb. The five p + -type semiconductor regions PRG are connected to the ring-shaped p + -type semiconductor regions GRa. Specifically, in the annular p + -type semiconductor region GRa, a portion extending in the <11-20> direction (the horizontal direction in FIG. 8) and one end of the five p + -type semiconductor regions PRG It is connected.

型の半導体領域PR、GRa、GRb、PRGの、n型の半導体層NDの上面からの深さは、例えば1μm程度である。また、p型の半導体領域PR、GRa、GRb、PRGの不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1020cm−3である。このように、p型の半導体領域PR、GRa、GRb、PRGは、同層、即ち、同じイオン注入工程で形成され、同程度の不純物の濃度の領域である。なお、これらを別工程で形成し、必要に応じて不純物濃度を変えてもよい。但し、同層で形成した方が、マスク原版の枚数を少なくでき、短工程で半導体装置を製造することができる。 The depth of the p + -type semiconductor regions PR, GRa, GRb, and PRG from the upper surface of the n -type semiconductor layer ND is, for example, about 1 μm. The impurity concentration of the p + -type semiconductor regions PR, GRa, GRb, and PRG is, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 . As described above, the p + -type semiconductor regions PR, GRa, GRb, and PRG are formed in the same layer, that is, in the same ion implantation step, and have the same impurity concentration. Note that these may be formed in separate steps, and the impurity concentration may be changed as necessary. However, when the mask is formed in the same layer, the number of mask masters can be reduced, and a semiconductor device can be manufactured in a short process.

次いで、SiC基板NSの裏面にn型不純物(例えば窒素(N))をイオン注入し、ドレイン領域(図示せず)を形成する。ドレイン領域の、SiC基板NSの裏面からの深さは、例えば0.05〜2.0μm程度である。またドレイン領域の不純物濃度は、1×1019〜1×1021cm−3である。 Next, an n-type impurity (for example, nitrogen (N)) is ion-implanted into the back surface of the SiC substrate NS to form a drain region (not shown). The depth of the drain region from the back surface of the SiC substrate NS is, for example, about 0.05 to 2.0 μm. The impurity concentration of the drain region is 1 × 10 19 to 1 × 10 21 cm −3 .

次いで、n型の半導体層NDの上面およびSiC基板NS裏面に炭素(C)膜を形成し、熱処理を施すことで、n型の半導体層NDの上部と、SiC基板NSの裏面にイオン注入した各不純物の活性化を行う。例えば、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて炭素(C)膜を堆積する。炭素(C)膜の厚さは、例えば0.03〜0.05μm程度である。上記のようにして、炭素(C)膜によりn型の半導体層NDの上面およびSiC基板NSの裏面を被覆した後、1500度以上の温度で、2〜3分程度の熱処理を施す。その後、上記炭素(C)膜を、例えばプラズマ処理により除去する。 Next, a carbon (C) film is formed on the upper surface of the n type semiconductor layer ND and the back surface of the SiC substrate NS, and is subjected to heat treatment, so that ions are formed on the upper portion of the n type semiconductor layer ND and the back surface of the SiC substrate NS. The implanted impurities are activated. For example, a carbon (C) film is deposited by using a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The thickness of the carbon (C) film is, for example, about 0.03 to 0.05 μm. After covering the upper surface of the n type semiconductor layer ND and the back surface of the SiC substrate NS with the carbon (C) film as described above, heat treatment is performed at a temperature of 1500 ° C. or more for about 2 to 3 minutes. Thereafter, the carbon (C) film is removed by, for example, a plasma treatment.

次いで、図9に示すように、n型の半導体層NDの上面上に、絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1を形成する。例えば、絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1として、酸化シリコン膜を、CVD法により形成する。絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1の厚さは、例えば、0.3〜2μm程度である。次いで、サブセル領域を開口したマスク膜をマスクとして、絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1をエッチングする(図10、図11)。即ち、絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1は、周辺領域、ゲートパッド(GP)が配置される領域(図8中の破線で囲んだ領域GPA)および十字状のp型の半導体領域GRb上に残存する。なお、ここでは、サブセル領域は、絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1で覆われていない素子領域を意味するものとする。 Next, as shown in FIG. 9, an insulating film (field insulating film) IL1 is formed on the upper surface of the n type semiconductor layer ND. For example, a silicon oxide film is formed by a CVD method as the insulating film (field insulating film) IL1. The thickness of the insulating film (field insulating film) IL1 is, for example, about 0.3 to 2 μm. Next, the insulating film (field insulating film) IL1 is etched using the mask film in which the subcell region is opened as a mask (FIGS. 10 and 11). That is, the insulating film (field insulating film) IL1 is formed on the peripheral region, the region where the gate pad (GP) is arranged (the region GPA surrounded by a broken line in FIG. 8), and the cross-shaped p + type semiconductor region GRb. Will remain. Here, the sub-cell region means an element region that is not covered with the insulating film (field insulating film) IL1.

次いで、図12に示すように、ソース領域SR間上に隣接するp型ボディ領域PB上に、ゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEを形成する。ここでは、ソース領域SR間上にゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEを形成する。なお、ソース領域SR近傍上には、後述するコンタクトホールC1S内に埋め込まれた接続部が配置されるため、この接続部の形成領域を含む領域に開口部OA1を有するように、ゲート電極GEを加工する。なお、このゲート電極GEは、十字状のp型の半導体領域GRb上には残存し、環状のp型の半導体領域GRa上には配置されない。なお、環状のp型の半導体領域GRa上にもゲート電極GEを配置してもよい。十字状のp型の半導体領域GRb上のゲート電極GEをフィンガー電極という。 Next, as shown in FIG. 12, a gate electrode GE is formed on the p-type body region PB adjacent above between the source regions SR via the gate insulating film GI. Here, the gate electrode GE is formed between the source regions SR via the gate insulating film GI. Note that a connection portion buried in a contact hole C1S described later is arranged near the source region SR. Therefore, the gate electrode GE is formed so as to have an opening OA1 in a region including a formation region of the connection portion. Process. The gate electrode GE remains on the cross-shaped p + -type semiconductor region GRb, and is not arranged on the annular p + -type semiconductor region GRa. Note that the gate electrode GE may also be arranged over the annular p + -type semiconductor region GRa. The gate electrode GE on the cross-shaped p + type semiconductor region GRb is called a finger electrode.

例えば、n型の半導体層(ドリフト層、p型ボディ領域PB、p型の半導体領域PR、GR、PRG、ソース領域SR)NDおよび絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1上に、ゲート絶縁膜GIとなる絶縁膜と、ゲート電極GEとなる導電性膜を順次堆積する。ここでは、ゲート絶縁膜GIとして、酸化シリコン膜をCVD法で堆積した後、ゲート電極GEとして、多結晶シリコン膜をCVD法で堆積する。次いで、ゲート電極GEを残存させる領域を覆うマスク膜を形成し、この膜をマスクとして多結晶シリコン膜をエッチングする(図12、図13)。ゲート絶縁膜GIの厚さは、例えば、0.05〜0.15μm程度である。ゲート電極GEの厚さは、例えば、0.2〜0.5μm程度である。 For example, a gate insulating film is formed on an n type semiconductor layer (drift layer, p type body region PB, p + type semiconductor region PR, GR, PRG, source region SR) ND and an insulating film (field insulating film) IL1. An insulating film to be the GI and a conductive film to be the gate electrode GE are sequentially deposited. Here, a silicon oxide film is deposited as a gate insulating film GI by a CVD method, and then a polycrystalline silicon film is deposited as a gate electrode GE by a CVD method. Next, a mask film is formed to cover the region where the gate electrode GE remains, and the polycrystalline silicon film is etched using this film as a mask (FIGS. 12 and 13). The thickness of the gate insulating film GI is, for example, about 0.05 to 0.15 μm. The thickness of the gate electrode GE is, for example, about 0.2 to 0.5 μm.

次いで、上記マスク膜を除去した後、図14に示すように、絶縁膜(層間絶縁膜)IL2を形成する。例えば、ゲート電極GE、ゲート絶縁膜GIおよび絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1上に、プラズマCVD法により酸化シリコン膜を形成する。   Next, after removing the mask film, an insulating film (interlayer insulating film) IL2 is formed as shown in FIG. For example, a silicon oxide film is formed over the gate electrode GE, the gate insulating film GI, and the insulating film (field insulating film) IL1 by a plasma CVD method.

次いで、図15に示すように、絶縁膜(層間絶縁膜)IL2中にコンタクトホール(C1S、C1GR、C1GE)を形成する。例えば、絶縁膜(層間絶縁膜)IL2上に、コンタクトホールC1(C1S、C1GR、C1GE)の形成領域に開口部を有するマスク膜(図示せず)を形成し、この膜をマスクとして、絶縁膜(層間絶縁膜)IL2をエッチングする。   Next, as shown in FIG. 15, contact holes (C1S, C1GR, C1GE) are formed in the insulating film (interlayer insulating film) IL2. For example, on the insulating film (interlayer insulating film) IL2, a mask film (not shown) having an opening in a formation region of the contact hole C1 (C1S, C1GR, C1GE) is formed, and using this film as a mask, (Interlayer insulating film) IL2 is etched.

これにより、ソース領域SR上にコンタクトホールC1Sが形成され、環状のp型の半導体領域GRa上にコンタクトホールC1GRが形成される。また、上記エッチング工程により、ゲート電極GE上にコンタクトホールC1GEが形成される(図15、図3参照)。コンタクトホールC1Sは、略四角形状であり、セル領域にアレイ状に配置される。コンタクトホールC1GRは、環状のp型の半導体領域GRa上に、環状に配置される。コンタクトホールC1GEは、ゲートパッド(GP)が配置される領域(GPA)において、ゲート電極GE上に配置される。なお、十字状のゲート電極(フィンガー電極)GE上にも、コンタクトホールC1GEを形成してもよい。このコンタクトホールの形状(平面形状)は、略四角形状でもよいし、電極に沿ったライン状としてもよい。 Thereby, the contact hole C1S is formed on the source region SR, and the contact hole C1GR is formed on the annular p + -type semiconductor region GRa. In addition, a contact hole C1GE is formed on the gate electrode GE by the above etching process (see FIGS. 15 and 3). The contact holes C1S have a substantially square shape and are arranged in an array in the cell region. The contact hole C1GR is annularly arranged on the annular p + type semiconductor region GRa. The contact hole C1GE is arranged on the gate electrode GE in a region (GPA) where the gate pad (GP) is arranged. The contact hole C1GE may be formed also on the cross-shaped gate electrode (finger electrode) GE. The shape (planar shape) of the contact hole may be a substantially square shape or a line shape along the electrode.

次いで、上記マスク膜(図示せず)を除去した後、図16に示すように、ソース電極SE、ゲートパッドGPおよびゲートフィンガーGFを形成する。まず、コンタクトホールC1(C1S、C1GR、C1GE)内を含む絶縁膜(層間絶縁膜)IL2上に、ソース電極SEおよびゲートパッドGPとなる導電性膜を形成する。例えば、導電性膜として、Ti/TiN/Al/TiN/Alの積層膜を形成する。例えば、これらの膜を順にスパッタリング法などを用いて堆積する。次いで、ソース電極SE、ゲートパッドGPおよびゲートフィンガーGFの形成領域を覆うマスク膜(図示せず)をマスクとして、上記導電性膜をエッチングすることにより、ソース電極SE、ゲートパッドGPおよびゲートフィンガーGFを形成する(図16、図3参照)。ソース電極SEは、サブセル領域および環状のp型の半導体領域(GRa)を覆うように配置される。また、ゲートバッドGPは、セル領域の端部において、略矩形状に配置される。また、ゲートフィンガーGFは、サブセル領域間に、十字状に配置される。 Next, after removing the mask film (not shown), a source electrode SE, a gate pad GP, and a gate finger GF are formed as shown in FIG. First, a conductive film to be the source electrode SE and the gate pad GP is formed on the insulating film (interlayer insulating film) IL2 including the inside of the contact hole C1 (C1S, C1GR, C1GE). For example, a stacked film of Ti / TiN / Al / TiN / Al is formed as the conductive film. For example, these films are sequentially deposited using a sputtering method or the like. Next, the conductive film is etched using a mask film (not shown) covering a region where the source electrode SE, the gate pad GP, and the gate finger GF are formed as a mask, thereby forming the source electrode SE, the gate pad GP, and the gate finger GF. Is formed (see FIGS. 16 and 3). The source electrode SE is arranged so as to cover the sub cell region and the annular p + type semiconductor region (GRa). The gate pad GP is arranged in a substantially rectangular shape at the end of the cell region. Further, the gate fingers GF are arranged in a cross shape between the sub-cell regions.

これにより、ソース電極SEとソース領域SRとがコンタクトホールC1S内に埋め込まれた導電性膜よりなるプラグにより接続され、ソース電極SEと環状のp型の半導体領域GRaとがコンタクトホールC1GR内に埋め込まれた導電性膜よりなるプラグにより接続される。また、ゲートパッドGPとゲート電極GEとがコンタクトホールC1GE内に埋め込まれた導電性膜よりなるプラグにより接続され、ゲートフィンガーGFとゲート電極GEとがコンタクトホールC1GE内に埋め込まれた導電性膜よりなるプラグにより接続される。なお、これらのプラグと下層の領域との接続抵抗を低減するため、プラグの下に金属シリサイド膜を形成してもよい。 As a result, the source electrode SE and the source region SR are connected by the plug made of the conductive film embedded in the contact hole C1S, and the source electrode SE and the annular p + -type semiconductor region GRa are located in the contact hole C1GR. The connection is made by a plug made of a buried conductive film. In addition, the gate pad GP and the gate electrode GE are connected by a plug made of a conductive film embedded in the contact hole C1GE, and the gate finger GF and the gate electrode GE are connected by a conductive film embedded in the contact hole C1GE. Connected by a plug. Note that a metal silicide film may be formed below the plug in order to reduce the connection resistance between these plugs and the lower layer region.

次いで、上記マスク膜(図示せず)を除去し、ソース電極SE、ゲートパッドGPおよびゲートフィンガーGF上に、保護膜(図示せず)を形成し、この保護膜をエッチングすることにより、ソース電極SEおよびゲートパッドGP上に開口部を設ける。この開口部が、パッド部(外部接続部)となる。   Next, the mask film (not shown) is removed, a protective film (not shown) is formed on the source electrode SE, the gate pad GP, and the gate finger GF, and the source electrode is formed by etching the protective film. An opening is provided on the SE and the gate pad GP. This opening serves as a pad (external connection).

例えば、ソース電極SEゲートパッドGPおよびゲートフィンガーGF上に、保護膜(パッシベーション膜)として、SiO膜またはポリイミド膜などを形成し、エッチング技術などを用いて保護膜の一部を除去することで、パッド部を形成する。 For example, a SiO 2 film or a polyimide film is formed as a protective film (passivation film) on the source electrode SE gate pad GP and the gate finger GF, and a part of the protective film is removed by using an etching technique or the like. Then, a pad portion is formed.

次いで、SiC基板NSの裏面に、ドレイン電極DEを形成する。例えば、SiC基板NSの裏面に、Ti/Ni/Auの積層膜(総膜厚0.5〜1μm)をスパッタリング法などを用いて順次堆積し、ドレイン電極DEを形成する。なお、SiC基板NSとドレイン電極DEとの間に、金属シリサイド膜を形成してもよい。   Next, a drain electrode DE is formed on the back surface of the SiC substrate NS. For example, a stacked film of Ti / Ni / Au (total thickness: 0.5 to 1 μm) is sequentially deposited on the back surface of the SiC substrate NS by a sputtering method or the like to form a drain electrode DE. Note that a metal silicide film may be formed between the SiC substrate NS and the drain electrode DE.

その後、SiC基板NSをダイシング工程により切削することで個片化し、これにより複数の半導体チップを得ることができる。   Thereafter, the SiC substrate NS is cut into individual pieces by cutting in a dicing process, whereby a plurality of semiconductor chips can be obtained.

以上の工程により、本実施の形態の半導体装置を形成することができる。なお、上記工程は、一例であり、上記工程以外の工程により、本実施の形態の半導体装置を製造してもよい。また、各領域の平面形状や形成位置を適宜変更してもよい。例えば、ゲートパッドGPをセル領域の中央部に設けてもよい。   Through the above steps, the semiconductor device of this embodiment can be formed. Note that the above process is an example, and the semiconductor device of the present embodiment may be manufactured by a process other than the above process. Further, the planar shape and the formation position of each region may be appropriately changed. For example, the gate pad GP may be provided at the center of the cell region.

本実施の形態の半導体装置によれば、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中に形成され、ソース電位(例えば、0V)が印加されるp型の半導体領域PRGを設けたので、p型ボディ領域PBの表面抵抗を下げることができる。また、p型の半導体領域PRGをゲートパッドGPの形成領域に対応する領域の全面ではなく、一部の領域に配置したので、結晶欠陥の影響を抑制することができる。さらに、結晶欠陥が生じ易い、<11−20>方向に並行な方向へのp型の半導体領域PRGの配置を極力避け、<11−20>方向に垂直な方向に延在するようにp型の半導体領域PRGを矩形状に配置したので、結晶欠陥の影響を効果的に抑制することができる。 According to the semiconductor device of the present embodiment, the p + -type semiconductor region PRG formed in the p-type body region PB below the gate pad GP and applied with a source potential (for example, 0 V) is provided. The surface resistance of p-type body region PB can be reduced. Further, since the p + type semiconductor region PRG is arranged not in the entire region corresponding to the formation region of the gate pad GP but in a part of the region, the influence of crystal defects can be suppressed. Further, the arrangement of the p + -type semiconductor region PRG in a direction parallel to the <11-20> direction in which crystal defects easily occur is minimized, and the p + -type semiconductor region PRG extends in a direction perpendicular to the <11-20> direction. Since the + type semiconductor region PRG is arranged in a rectangular shape, the influence of crystal defects can be effectively suppressed.

以下、1)サージ電圧の抑制効果および2)結晶欠陥の影響の抑制効果について説明する。   Hereinafter, 1) the effect of suppressing the surge voltage and 2) the effect of suppressing the influence of the crystal defect will be described.

1)サージ電圧の抑制効果
図17〜図19は、本実施の形態の比較例の半導体装置の構成を示す断面図または平面図である。図17〜図19に示すように、比較例の半導体装置においては、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中に、p型の半導体領域PRGが設けられていない。なお、他の構成は、本実施の形態(図1〜図3)の構成と同様であるため、その説明を省略する。
1) Surge Voltage Suppressing Effect FIGS. 17 to 19 are sectional views or plan views showing a configuration of a semiconductor device of a comparative example of the present embodiment. As shown in FIGS. 17 to 19, in the semiconductor device of the comparative example, the p + -type semiconductor region PRG is not provided in the p-type body region PB below the gate pad GP. Note that the other configuration is the same as the configuration of the present embodiment (FIGS. 1 to 3), and a description thereof will be omitted.

このように、比較例の半導体装置においては、ゲートパッドGPの下方にp型の半導体領域PRGが形成されていないため、ゲートパッドGPの下方においては、ゲートパッドGPとゲート電極GEとの積層部が、比較的厚い絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1を介してp型ボディ領域PB上に配置される構成となる(図18(B))。絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1は、比較的厚く(例えば、0.3μm)、絶縁耐圧が高いにも関わらず、本発明者の検討によれば、ゲートパッドGPの下方における絶縁破壊が確認された。 As described above, in the semiconductor device of the comparative example, since the p + -type semiconductor region PRG is not formed below the gate pad GP, a stack of the gate pad GP and the gate electrode GE is formed below the gate pad GP. The portion is arranged on p-type body region PB via a relatively thick insulating film (field insulating film) IL1 (FIG. 18B). Although the insulating film (field insulating film) IL1 is relatively thick (for example, 0.3 μm) and has a high withstand voltage, according to the study of the present inventors, it has been confirmed that a dielectric breakdown has occurred below the gate pad GP. Was.

この原因究明のため、次の検討を行った。図20は、インバータ回路図である。この回路は、DCをACに変換するインバータ回路である。なお、インバータ回路については、実施の形態2においても説明する。   The following investigation was conducted to determine the cause. FIG. 20 is an inverter circuit diagram. This circuit is an inverter circuit that converts DC into AC. Note that the inverter circuit will also be described in the second embodiment.

この回路は、第1ノードと第2ノードとの間に、直列に接続された2つのMOSFET(GD1、GD2)と、第1ノードと第2ノードとの間に、直列に接続された2つのMOSFET(GD3、GD4)を有し、これらの接続部間にL負荷が接続されている。また、第1ノードと第2ノードとの間には、電源Vccが接続され、さらに、第1ノードと第2ノードとの間には、コンデンサが接続されている。   This circuit includes two MOSFETs (GD1, GD2) connected in series between a first node and a second node, and two MOSFETs connected in series between the first node and a second node. MOSFETs (GD3, GD4) are provided, and an L load is connected between these connection parts. A power supply Vcc is connected between the first node and the second node, and a capacitor is connected between the first node and the second node.

上記4つのMOSFET(GD1〜GD4)のうち、GD1とGD4にオン信号、GD2とGD3にオフ信号を入れると、L負荷に(1)方向の電流が流れる。逆に、GD1とGD4にオフ信号、GD2とGD3にオン信号を入れるとL負荷に(2)方向の電流が流れる。このようなオン、オフ信号の入力の切り替えを繰り返すことでDC(直流)を数Hzから数kHZのAC(交流)に変換することができる。   When an ON signal is input to GD1 and GD4 and an OFF signal is input to GD2 and GD3 among the four MOSFETs (GD1 to GD4), a current in the (1) direction flows through the L load. Conversely, when an off signal is supplied to GD1 and GD4 and an on signal is supplied to GD2 and GD3, a current in the (2) direction flows through the L load. By repeating the switching of the input of the ON / OFF signal, DC (direct current) can be converted from several Hz to AC (alternating current) of several kHz.

図21は、上記インバータを構成するMOSFETのスイッチング時の電流・電圧波形の一例を示す図である。ここでは、MOSFETがオンからオフに切り替わるときの波形を示す。左側の縦軸は、ドレイン電圧(Vds、[V])を、右側の縦軸は、ドレイン電流(Id、[A])を、横軸は、時間(Time、[s]を示す。   FIG. 21 is a diagram showing an example of a current / voltage waveform at the time of switching of the MOSFET constituting the inverter. Here, a waveform when the MOSFET is switched from on to off is shown. The left vertical axis shows the drain voltage (Vds, [V]), the right vertical axis shows the drain current (Id, [A]), and the horizontal axis shows time (Time, [s]).

図21に示すように、MOSFETがオンからオフに切り替わるとき、MOSFETのドレイン電流が400Aから急速にゼロに変化し、同時にドレイン電圧がゼロから1800Vに変化している。この時の電圧変化速度(dVds/dt)は、約4kV/μsに達する。   As shown in FIG. 21, when the MOSFET switches from ON to OFF, the drain current of the MOSFET rapidly changes from 400 A to zero, and at the same time, the drain voltage changes from zero to 1800 V. At this time, the voltage change speed (dVds / dt) reaches about 4 kV / μs.

このような急激な電圧変化に伴い半導体領域ではサージ電圧が発生し得る。図21に示すように、1800Vまで上昇させればよいドレイン電圧が、過渡期には、2150V程度まで上昇している。このようなサージ電圧により、ゲートパッドGPの下方の比較的厚い絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1が破壊されてしまう。例えば、絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1の絶縁耐圧は300V程度で設計されているが、上記サージ電圧により破壊される場合があると考えられる。図18(B)において、本発明者の検討により、破壊され易い領域を、破線の丸で示す。   A surge voltage can occur in the semiconductor region due to such a rapid voltage change. As shown in FIG. 21, the drain voltage which has only to be raised to 1800 V rises to about 2150 V in the transition period. Such a surge voltage destroys the relatively thick insulating film (field insulating film) IL1 below the gate pad GP. For example, the insulation withstand voltage of the insulation film (field insulation film) IL1 is designed to be about 300 V, but it is considered that the insulation film (field insulation film) may be destroyed by the surge voltage. In FIG. 18B, a region that is easily broken by the present inventors is indicated by a broken-line circle.

これに対し、本実施の形態の半導体装置によれば、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中に、この層より濃度の高いp型の半導体領域PRGを設けたので、サージ電圧の発生を抑制することができる。 On the other hand, according to the semiconductor device of the present embodiment, the p + -type semiconductor region PRG having a higher concentration than this layer is provided in the p-type body region PB below the gate pad GP. Generation can be suppressed.

図22は、比較例の半導体装置のゲートパッド部近傍の構成を模式的に示す断面図であり、図23は、本実施の形態のゲートパッド部近傍の構成を模式的に示す断面図である。図24は、印加パルスの波形を示し、図25は、TCADを用いたシミュレーション結果を示す。図24において、縦軸は、ドレイン電圧(Vds、[V])を、横軸は、時間(Time、[μs]を示す。また、図25において、縦軸は、表面電位[V]を、横軸は、X座標[μm]を示す。   FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing the configuration near the gate pad portion of the semiconductor device of the comparative example, and FIG. 23 is a cross-sectional view schematically showing the configuration near the gate pad portion of the present embodiment. . FIG. 24 shows a waveform of an applied pulse, and FIG. 25 shows a simulation result using TCAD. 24, the vertical axis indicates the drain voltage (Vds, [V]), the horizontal axis indicates the time (Time, [μs]. In FIG. 25, the vertical axis indicates the surface potential [V]. The horizontal axis indicates the X coordinate [μm].

具体的には、例えば、ソース電極SEを0Vに固定し、ドレイン電極DEに、図24に示すパルス(1μs間に2000Vまで昇圧し、100μs間維持した後、2μs間で降圧する波形のパルス)を印加し、ゲートパッドの外周に配置されるソース電極SEからx方向(図17のA−A断面方向)に500μmの長さにおいて、表面電位[V]をTCADを用いて調べた。その結果、図25に示すように、比較例(破線グラフ、図22)の場合には、p型ボディ領域PBの表面電位が、ソース電極SEからx方向(図17のA−A断面方向)に離れるにしたがって大きくなり、400〜500μm程度離れた位置においては400V以上の高電圧がとなっていることが分かる。これは、p型ボディ領域PB/n型の半導体層ND間の逆バイアスが増大するにしたがって、バンド間遷移の生成キャリア(ホール)が生じ、生じたキャリアが、p型ボディ領域PBのシート抵抗が高いため、キャリアの移動が電位変動に追い付かず、pn接合部に過大な電界が掛かるためと考えられる。即ち、生成したホールはp型ボディ領域PBへ流れ込むが、コンタクトホールC1GR内のプラグの近傍ではホールが直ぐに吸収されるのに対し、遠端部ではホールが蓄積し、この面内のホール分布の偏りが表面電位分布を生じさせていると考えられる。このため、p型ボディ領域PBの表面電位が、高電圧となってしまう。 Specifically, for example, the source electrode SE is fixed to 0 V, and the drain electrode DE has a pulse shown in FIG. 24 (a pulse having a waveform that rises to 2000 V in 1 μs, maintains for 100 μs, and then drops in 2 μs). Was applied, and the surface potential [V] was examined using TCAD at a length of 500 μm from the source electrode SE arranged on the outer periphery of the gate pad in the x direction (along the line AA in FIG. 17). As a result, as shown in FIG. 25, in the case of the comparative example (dashed line graph, FIG. 22), the surface potential of the p-type body region PB is shifted from the source electrode SE in the x direction (the cross section along the line AA in FIG. 17). It can be seen that the voltage increases as the distance increases, and a high voltage of 400 V or more is at a position separated by about 400 to 500 μm. This is because, as the reverse bias between the p-type body regions PB / n -type semiconductor layers ND increases, carriers (holes) generated in the inter-band transition are generated, and the generated carriers are transferred to the sheet of the p-type body region PB. It is considered that, because of the high resistance, the movement of carriers cannot keep up with the potential fluctuation, and an excessive electric field is applied to the pn junction. That is, the generated holes flow into the p-type body region PB, but the holes are immediately absorbed in the vicinity of the plug in the contact hole C1GR, whereas the holes accumulate at the far end, and the hole distribution in this plane is reduced. It is considered that the bias has caused the surface potential distribution. Therefore, the surface potential of p-type body region PB becomes high.

これに対し、p型の半導体領域を設けた本実施の形態(実線グラフ、図23)の場合には、p型の半導体領域PRGの表面電位が、ソース電極SEからx方向(図1のA−A断面方向)に400〜500μm程度離れた位置においても、40V程度である。このように、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中に、この層より濃度の高いp型の半導体領域PRGを設けることで、設けない場合と比較し、その表面電位を約1/10に低減できる。即ち、本実施の形態においては、p型ボディ領域PB中にp型の半導体領域PRGを設けることで、シート抵抗が下がるため、上記ホールの分布を均一化することができ、表面電位の局所的な上昇を抑制することができる。その結果、ゲートパッドGPの下方の絶縁膜(フィールド絶縁膜)IL1の破壊を防止することができる。なお、上記シミュレーションにおいては、解析を簡易にするためゲート電位を0Vとしてシミュレーションを行った。 On the other hand, in the case of the present embodiment in which the p + type semiconductor region is provided (solid line graph, FIG. 23), the surface potential of the p + type semiconductor region PRG is shifted from the source electrode SE in the x direction (FIG. 1). (A-A cross-sectional direction) is about 40 V even at a position about 400 to 500 μm apart. As described above, by providing the p + -type semiconductor region PRG having a higher concentration than this layer in the p-type body region PB below the gate pad GP, the surface potential thereof is reduced by about 1 / It can be reduced to 10. That is, in this embodiment, since the p + -type semiconductor region PRG is provided in the p-type body region PB, the sheet resistance is reduced, so that the distribution of the holes can be made uniform, and the local potential of the surface potential can be reduced. Can be suppressed. As a result, breakdown of the insulating film (field insulating film) IL1 below the gate pad GP can be prevented. Note that in the above simulation, the simulation was performed with the gate potential set to 0 V in order to simplify the analysis.

このように、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中に、この層より濃度の高いp型の半導体領域PRGを設けることにより、サージ電圧の発生を抑制できることが分かる。 Thus, it can be seen that the surge voltage can be suppressed by providing the p + -type semiconductor region PRG having a higher concentration than this layer in the p-type body region PB below the gate pad GP.

2)結晶欠陥の影響の抑制効果
図26〜図28は、本発明者による検討例の半導体装置の構成を示す断面図または平面図である。上記シミュレーション結果から、ゲートパッドGPと重なる全領域において、p型の半導体領域PRGを設ける例も考えられる。図26〜図28に示すように、検討例の半導体装置においては、ゲートパッドGPの下方のp型ボディ領域PB中であって、ゲートパッドGPと重なる全領域において、p型の半導体領域PRGが設けられている。なお、他の構成は、本実施の形態(図1〜図3)の構成と同様であるため、その説明を省略する。
2) Effect of Suppressing the Effect of Crystal Defects FIGS. 26 to 28 are cross-sectional views or plan views showing the configuration of a semiconductor device of a study example by the present inventors. From the above simulation results, an example in which ap + type semiconductor region PRG is provided in the entire region overlapping with the gate pad GP can be considered. As shown in FIGS. 26 to 28, in the semiconductor device of the study example, in the p-type body region PB below the gate pad GP and in the entire region overlapping with the gate pad GP, the p + -type semiconductor region PRG Is provided. Note that the other configuration is the same as the configuration of the present embodiment (FIGS. 1 to 3), and a description thereof will be omitted.

このように、ゲートパッドGPと重なる全領域において、p型の半導体領域PRGを設けてもよいが、この場合、結晶欠陥の影響を受けやすくなる。特に、本実施の形態のように、ボディダイオードを有する半導体装置においては、ボディダイオードに順方向電流が流れることにより欠陥が成長しやすくなる(基底面転位の成長現象)。 As described above, the p + -type semiconductor region PRG may be provided in the entire region overlapping with the gate pad GP, but in this case, the region is easily affected by crystal defects. In particular, in a semiconductor device having a body diode as in this embodiment, a forward current flows through the body diode, so that defects easily grow (growth phenomenon of basal plane dislocation).

図29〜図31は、結晶に加わる応力の測定結果を説明するための図である。図29に示すように、p型のSiC層(p)について、<11−20>に並行な方向(<11−20>並行方向という)と、<11−20>に垂直な方向(<11−20>垂直方向という)について、ラマン分光法で結晶の応力を測定した。その結果を、図30、図31に示す。各グラフの横軸は、測定位置(μm)を、縦軸は、ラマンシフト量(Δν)を示す。ラマンシフト量は、残留応力に比例するパラメータである。縦軸において、+方向が圧縮応力であり、−方向が引張応力である。 FIGS. 29 to 31 are diagrams for explaining the measurement results of the stress applied to the crystal. As shown in FIG. 29, for the p-type SiC layer (p + ), a direction parallel to <11-20> (referred to as <11-20> parallel direction) and a direction perpendicular to <11-20>(<11-20> perpendicular direction), the crystal stress was measured by Raman spectroscopy. The results are shown in FIGS. The horizontal axis of each graph indicates the measurement position (μm), and the vertical axis indicates the Raman shift amount (Δν). The Raman shift amount is a parameter proportional to the residual stress. On the vertical axis, the + direction is the compressive stress and the-direction is the tensile stress.

SiC層に、p型不純物をイオン注入すると、注入領域のSiC層は非晶質化する。この後、注入したp型不純物の活性化アニールにより、SiC層再結晶化が進む。その際、p型のSiC層(p)のパターンのエッジ部において応力が発生する。 When a p-type impurity is ion-implanted into the SiC layer, the SiC layer in the implantation region becomes amorphous. Thereafter, the activation anneal of the implanted p-type impurity causes recrystallization of the SiC layer. At this time, stress is generated at the edge of the pattern of the p-type SiC layer (p + ).

この応力の加わり方には、結晶方位依存性がある。このため、<11−20>並行方向にスキャンした場合(図30)方が、<11−20>垂直方向にスキャンした場合(図31)より、エッジ部の応力が小さいことが分かる。即ち、図29において、縦方向に延びるエッジより、横方向に延びるエッジの応力が大きくなる。よって、横方向に延びるエッジにおいて結晶欠陥が多くなる。   How to apply this stress depends on the crystal orientation. Therefore, it can be seen that the stress at the edge part is smaller when scanning in the <11-20> parallel direction (FIG. 30) than when scanning in the <11-20> vertical direction (FIG. 31). That is, in FIG. 29, the stress of the edge extending in the horizontal direction is larger than that of the edge extending in the vertical direction. Therefore, crystal defects increase at the edge extending in the lateral direction.

このため、本実施の形態においては、p型の半導体領域PRGを、SiC基板NSの<11−20>方向に垂直な方向に、長辺を有する略矩形状とし、このような略矩形状のp型の半導体領域PRGを所定の間隔を開けて<11−20>方向に並べて配置することにより、活性化アニールによる結晶欠陥を大幅に減らすことができる。その結果、例えば、上記インバータの回生動作中に、p型ボディ領域PBとn型の半導体層(ドリフト層)NDとからなるボディダイオード(半導体素子)に、順方向電流を流しても、基底面転位の成長現象を抑制することができる。言い換えれば、ボディダイオードの通電劣化を防止することができる。これにより、長期的に安定したインバータ動作を保証することができる。 For this reason, in the present embodiment, the p + type semiconductor region PRG is formed in a substantially rectangular shape having a long side in a direction perpendicular to the <11-20> direction of the SiC substrate NS, and such a substantially rectangular shape is formed. By arranging the p + -type semiconductor regions PRG in the <11-20> direction at predetermined intervals, crystal defects due to activation annealing can be significantly reduced. As a result, for example, even if a forward current flows through a body diode (semiconductor element) including the p-type body region PB and the n -type semiconductor layer (drift layer) ND during the regenerative operation of the inverter, The growth phenomenon of plane dislocation can be suppressed. In other words, conduction deterioration of the body diode can be prevented. Thus, stable inverter operation can be guaranteed for a long period of time.

略矩形状のp型の半導体領域PRGの短辺の長さ(幅)としては、解像限界(例えば、0.5μm程度)以上であって、100μm以下、より好ましくは50μm以下、さらに好ましくは30μm以下とすることができる。例えば、領域GPAに、略矩形状のパターン(p型の半導体領域PRG)を複数配置する場合、配置面積を、領域GPAの50%程度とする場合、ライン幅/ラインスペース=20μm/20μm程度で配置することが好ましい。 The length (width) of the short side of the substantially rectangular p + -type semiconductor region PRG is not less than the resolution limit (for example, about 0.5 μm), and is 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and further more preferably. Can be 30 μm or less. For example, when a plurality of substantially rectangular patterns (p + -type semiconductor regions PRG) are arranged in the area GPA, when the arrangement area is about 50% of the area GPA, the line width / line space = about 20 μm / 20 μm It is preferable to dispose them.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態1の半導体装置(SiCパワー素子)を備えた電力変換装置について説明する。図32は、本実施の形態の電力変換装置(インバータ)の回路図である。図32に示すように、本実施の形態のインバータは、パワーモジュール402内に、スイッチング素子であるSiCパワーMOSFET(MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)とも言う)404を複数有する。各単相において、端子405〜409を介して、電源電圧Vccと負荷(例えばモータ)401の入力電位との間に、SiCパワーMOSFET404が接続されており、当該SiCパワーMOSFET404が上アームを構成する。また、負荷401の入力電位と接地電位GNDとの間にもSiCパワーMOSFET404が接続されており、当該SiCパワーMOSFET404が下アームを構成する。つまり、負荷401では各単相に2つのSiCパワーMOSFET404が設けられており、3相で6つのスイッチング素子(SiCパワーMOSFET404)が設けられている。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a power converter including the semiconductor device (SiC power element) of the first embodiment will be described. FIG. 32 is a circuit diagram of the power converter (inverter) of the present embodiment. As shown in FIG. 32, the inverter of this embodiment includes a plurality of SiC power MOSFETs (also referred to as MISFETs (Metal Insulator Semiconductor FETs)) 404 as switching elements in a power module 402. In each single phase, the SiC power MOSFET 404 is connected between the power supply voltage Vcc and the input potential of the load (for example, the motor) 401 via the terminals 405 to 409, and the SiC power MOSFET 404 forms an upper arm. . The SiC power MOSFET 404 is also connected between the input potential of the load 401 and the ground potential GND, and the SiC power MOSFET 404 forms a lower arm. That is, in the load 401, two SiC power MOSFETs 404 are provided for each single phase, and six switching elements (SiC power MOSFETs 404) are provided for three phases.

電源電圧Vccは、端子405を介して、各単層のSiCパワーMOSFET404のドレイン電極に接続されており、接地電位GNDは、端子409を介して、各単層のSiCパワーMOSFET404のソース電極に接続されている。また、負荷401は、端子406〜408のそれぞれを介して、各単層の上アームの各単層のSiCパワーMOSFET404のソース電極に接続され、端子406〜408のそれぞれを介して、各単層の下アームの各単層のSiCパワーMOSFET404のドレイン電極に接続されている。   The power supply voltage Vcc is connected to the drain electrode of each single-layer SiC power MOSFET 404 via a terminal 405, and the ground potential GND is connected to the source electrode of each single-layer SiC power MOSFET 404 via a terminal 409. Have been. The load 401 is connected to the source electrode of the single-layer SiC power MOSFET 404 in the upper arm of each single layer via each of the terminals 406 to 408, and is connected to each single layer via each of the terminals 406 to 408. The lower arm is connected to the drain electrode of each single-layer SiC power MOSFET 404.

また、個々のSiCパワーMOSFET404のゲート電極には、端子410、411を介して、制御回路403が接続されており、この制御回路403によってSiCパワーMOSFET404が制御されている。したがって、本実施の形態のインバータは、制御回路403でパワーモジュール402を構成するSiCパワーMOSFET404を流れる電流を制御することにより、負荷401を駆動することができる。   A control circuit 403 is connected to the gate electrodes of the individual SiC power MOSFETs 404 via terminals 410 and 411, and the control circuit 403 controls the SiC power MOSFET 404. Therefore, the inverter of this embodiment can drive the load 401 by controlling the current flowing through the SiC power MOSFET 404 included in the power module 402 with the control circuit 403.

SiCパワーMOSFET404には、上記実施の形態1において説明した半導体チップ(図1参照)に形成されたMOSFETを用いている。図32に示すように、電力変換装置は、実施の形態1において説明したMOSFETとボディダイオード(内蔵pnダイオード)とを有している。   As the SiC power MOSFET 404, the MOSFET formed on the semiconductor chip (see FIG. 1) described in the first embodiment is used. As shown in FIG. 32, the power converter has the MOSFET described in the first embodiment and a body diode (built-in pn diode).

即ち、ボディダイオードのアノードはMOSFETのソース電極に接続されており、カソードはMOSFETのドレイン電極に接続されている。よって、図32に示す各単層において、ボディダイオードは、当該MOSFETに対し、逆並列に接続されている。このときのボディダイオードの機能について以下に説明する。   That is, the anode of the body diode is connected to the source electrode of the MOSFET, and the cathode is connected to the drain electrode of the MOSFET. Therefore, in each single layer shown in FIG. 32, the body diode is connected in antiparallel to the MOSFET. The function of the body diode at this time will be described below.

ボディダイオードは、負荷401がインダクタンスを含まない純抵抗である場合、還流するエネルギーがないため不要である。しかし、負荷401にモータ(電動機)のようなインダクタンスを含む回路が接続されている場合、オンしているスイッチング素子であるMOSFETとは逆方向に負荷電流が流れるモードがある。このとき、MOSFET単体では、この逆方向に流れる負荷電流を流し得る機能を持たないので、MOSFETに逆並列にボディダイオードを接続する必要がある。   When the load 401 is a pure resistor that does not include an inductance, the body diode is unnecessary because there is no energy to return. However, when a circuit including an inductance such as a motor (electric motor) is connected to the load 401, there is a mode in which a load current flows in a direction opposite to that of a MOSFET which is an ON switching element. At this time, since the MOSFET alone does not have a function of allowing the load current flowing in the reverse direction to flow, it is necessary to connect a body diode in antiparallel to the MOSFET.

即ち、パワーモジュール402において、例えばモータのように負荷401にインダクタンスを含む場合、MOSFETをオフしたとき、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを必ず放出しなければならない。しかし、MOSFET単体では、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを開放するための逆方向電流を流すことができない。そこで、このインダクタンスに蓄えられた電気エネルギーを還流するため、MOSFETに逆方向にボディダイオードを接続する。つまり、ボディダイオードは、インダクタンスに蓄えられた電気エネルギーを開放するために逆方向電流を流すという機能を有している。   That is, in the power module 402, when the load 401 includes an inductance like a motor, for example, when the MOSFET is turned off, the energy stored in the inductance must be released. However, the MOSFET alone cannot flow a reverse current for releasing the energy stored in the inductance. Therefore, in order to circulate the electric energy stored in the inductance, a body diode is connected to the MOSFET in the reverse direction. That is, the body diode has a function of flowing a reverse current in order to release electric energy stored in the inductance.

MOSFETおよびダイオードによりパワーモジュール402を構成する場合に、MOSFETが設けられた半導体チップに、ダイオードが設けられた半導体チップを接続することが考えられる。しかしこの場合、MOSFETを含む半導体チップの他に、ダイオードを含む半導体チップを設ける必要があるため、パワーモジュール402およびインバータが大型化する問題がある。ダイオードを含む半導体チップを別に用意するのではなく、MOSFETに接続するショットキーバリアダイオードなどを、当該MOSFETが形成された半導体チップに混載する場合にも、パワーモジュール402およびインバータが大型化する問題が生じる。また、ダイオードレス化を行わずに上記のようにダイオードを用意することは、半導体装置の製造コストの増大の原因となる。   When the power module 402 is configured by MOSFETs and diodes, a semiconductor chip provided with a diode may be connected to a semiconductor chip provided with a MOSFET. However, in this case, it is necessary to provide a semiconductor chip including a diode in addition to the semiconductor chip including the MOSFET, and thus there is a problem that the power module 402 and the inverter are increased in size. Even when a semiconductor chip including a diode is not separately prepared, but a Schottky barrier diode or the like connected to a MOSFET is mixedly mounted on a semiconductor chip on which the MOSFET is formed, the problem of an increase in the size of the power module 402 and the inverter occurs. Occurs. Also, preparing the diode as described above without performing diodeless operation causes an increase in the manufacturing cost of the semiconductor device.

これに対し本実施の形態では、パワーモジュール402において、上記実施の形態1にて示したMOSFETおよびボディダイオードを用いている。つまり、図2に示すMOSFETおよびこれに逆並列に接続されたボディダイオードは、1個の半導体チップに設けられている。基底面転位を含む半導体チップではボディダイオードにpn電流を流すと通電劣化が起こる問題があるが、上記実施の形態1において説明した半導体装置は、内蔵ダイオードおよび周縁領域にpn電流を流した場合に、通電劣化を抑えることができる。これにより、パワーモジュール402を含むインバータからなる電力変換装置について、通電劣化を防ぎつつ、装置の小型化、軽量化および低コスト化を実現することができる。   On the other hand, in the present embodiment, the power module 402 uses the MOSFET and the body diode described in the first embodiment. That is, the MOSFET shown in FIG. 2 and the body diode connected in antiparallel to the MOSFET are provided on one semiconductor chip. In a semiconductor chip including a basal plane dislocation, there is a problem that conduction degradation occurs when a pn current flows through a body diode. However, the semiconductor device described in the first embodiment has a problem in that a pn current flows through a built-in diode and a peripheral region. In addition, deterioration due to energization can be suppressed. This makes it possible to reduce the size, weight, and cost of the power conversion device including the inverter including the power module 402, while preventing the power supply from deteriorating.

また、電力変換装置は、3相モータシステムに用いることができる。図32に示した負荷401は3相モータであり、インバータに、上記実施の形態1にて示した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムを小型化することができる。   Further, the power converter can be used for a three-phase motor system. The load 401 shown in FIG. 32 is a three-phase motor. By using the power converter including the semiconductor device described in Embodiment 1 for the inverter, the size of the three-phase motor system can be reduced. .

(実施の形態3)
上記実施の形態2で説明した3相モータシステムは、ハイブリット自動車、電気自動車、燃料電池自動車などの自動車に用いることができる。本実施の形態では、3相モータシステムを搭載した自動車を、図33および図34を用いて説明する。図33は、本実施の形態の電気自動車の構成を示す概略図である。図34は、本実施の形態の昇圧コンバータの回路図である。
(Embodiment 3)
The three-phase motor system described in the second embodiment can be used for automobiles such as hybrid automobiles, electric automobiles, and fuel cell automobiles. In this embodiment, an automobile equipped with a three-phase motor system will be described with reference to FIGS. FIG. 33 is a schematic diagram showing a configuration of the electric vehicle according to the present embodiment. FIG. 34 is a circuit diagram of the boost converter of the present embodiment.

図33に示すように、本実施の形態の電気自動車は、駆動輪(車輪)501aおよび駆動輪(車輪)501bが接続された駆動軸502に動力を入出力可能とする3相モータ503と、3相モータ503を駆動するためのインバータ504と、バッテリ505とを備える。さらに、本実施の形態の電気自動車は、昇圧コンバータ508と、リレー509と、電子制御ユニット510とを備え、昇圧コンバータ508は、インバータ504が接続された電力ライン506と、バッテリ505が接続された電力ライン507とに接続されている。3相モータ503は、永久磁石が埋め込まれたロータと、3相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。インバータ504には、上記実施の形態2において説明したインバータを用いる。   As shown in FIG. 33, the electric vehicle of the present embodiment includes a three-phase motor 503 that can input and output power to and from a drive shaft 502 to which drive wheels (wheels) 501a and drive wheels (wheels) 501b are connected. An inverter 504 for driving the three-phase motor 503 and a battery 505 are provided. Further, the electric vehicle of the present embodiment includes boost converter 508, relay 509, and electronic control unit 510, and boost converter 508 is connected to power line 506 to which inverter 504 is connected, and battery 505. It is connected to a power line 507. The three-phase motor 503 is a synchronous generator motor including a rotor in which permanent magnets are embedded and a stator in which three-phase coils are wound. As the inverter 504, the inverter described in Embodiment 2 is used.

昇圧コンバータ508は図34に示すように、インバータ513に、リアクトル511および平滑用コンデンサ512が接続された構成からなる。インバータ513は、例えば、上記実施の形態2で説明したインバータと同様であり、インバータ内の素子構成も同じである。ここでも、スイッチング素子をSiCパワーMOSFET514とし、同期整流駆動させる。本実施の形態の電気自動車では、電力変換装置であるインバータ504および電力変換装置である昇圧コンバータ508を用いて出力を3相モータ503に供給することで、3相モータ503により駆動輪(車輪)501a、501bを駆動する。   Boost converter 508 has a configuration in which a reactor 511 and a smoothing capacitor 512 are connected to an inverter 513, as shown in FIG. Inverter 513 is, for example, similar to the inverter described in the second embodiment, and has the same element configuration in the inverter. Also in this case, the switching element is the SiC power MOSFET 514 and is driven by synchronous rectification. In the electric vehicle according to the present embodiment, the output is supplied to the three-phase motor 503 using the inverter 504 as the power conversion device and the boost converter 508 as the power conversion device, so that the three-phase motor 503 drives the wheels (wheels). Drive 501a and 501b.

図33の電子制御ユニット510は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、入出力ポートとを備えており、3相モータ503のロータ位置を検出するセンサからの信号、またはバッテリ505の充放電値などを受信する。電子制御ユニット510は、インバータ504、昇圧コンバータ508、およびリレー509を制御するための信号を出力する。   The electronic control unit 510 in FIG. 33 includes a microprocessor, a storage device, and an input / output port, and receives a signal from a sensor for detecting the rotor position of the three-phase motor 503, a charge / discharge value of the battery 505, and the like. Receive. Electronic control unit 510 outputs a signal for controlling inverter 504, boost converter 508, and relay 509.

本実施の形態によれば、電力変換装置であるインバータ504および昇圧コンバータ508に、上記実施の形態2の電力変換装置を用いることができる。また、3相モータ503、およびインバータ504などからなる3相モータシステムに、上記実施の形態2の3相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車のインバータ504および昇圧コンバータ508の通電劣化を防ぎつつ、電気自動車に占める駆動系の容積を低減することにより電気自動車の小型化、軽量化および低コスト化を実現することができる。   According to the present embodiment, the power converter of Embodiment 2 can be used for inverter 504 and boost converter 508 that are power converters. Further, the three-phase motor system according to the second embodiment can be used for a three-phase motor system including the three-phase motor 503, the inverter 504, and the like. As a result, it is possible to reduce the size of the drive system occupied in the electric vehicle while preventing the inverter 504 and the step-up converter 508 of the electric vehicle from being energized and to reduce the size, weight, and cost of the electric vehicle. .

なお、本実施の形態では、電気自動車について説明したが、エンジンも併用するハイブリット自動車、バッテリ505が燃料電池スタックとなった燃料電池自動車にも同様に上述の3相モータシステムを適用することができる。   In this embodiment, an electric vehicle has been described. However, the above-described three-phase motor system can be similarly applied to a hybrid vehicle that also uses an engine and a fuel cell vehicle in which a battery 505 is a fuel cell stack. .

(実施の形態4)
上記実施の形態2の3相モータシステムは、鉄道車両に用いることができる。本実施の形態では、3相モータシステムを用いた鉄道車両について説明する。図35は、本実施の形態の鉄道車両のコンバータおよびインバータを含む回路図である。
(Embodiment 4)
The three-phase motor system according to Embodiment 2 can be used for railway vehicles. In the present embodiment, a railway vehicle using a three-phase motor system will be described. FIG. 35 is a circuit diagram including a converter and an inverter of the railway vehicle of the present embodiment.

図35に示すように、鉄道車両には架線OWからパンタグラフPGを介して、例えば25kVの電力が供給される。トランス609を介して電圧が1.5kVまで降圧され、コンバータ607で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ608を介してインバータ602で直流から交流に変換されて、負荷601である3相モータが駆動される。本実施の形態では、スイッチング素子をSiCパワーMOSFET604として同期整流駆動させる。なお、架線OWは、パンタグラフPG、トランス609、車輪WHを介して、線路RTに電気的に接続されている。   As shown in FIG. 35, for example, power of 25 kV is supplied to the railway vehicle from the overhead line OW via the pantograph PG. The voltage is reduced to 1.5 kV via the transformer 609, and converted from AC to DC by the converter 607. Further, the direct current is converted into alternating current by the inverter 602 via the capacitor 608, and the three-phase motor as the load 601 is driven. In the present embodiment, the switching element is synchronously rectified and driven as the SiC power MOSFET 604. The overhead wire OW is electrically connected to the line RT via the pantograph PG, the transformer 609, and the wheels WH.

本実施の形態によれば、コンバータ607に、上記実施の形態2の電力変換装置を用いることができる。つまり、電力変換装置から負荷601に電力を供給することで、鉄道車両の車輪WHを駆動することができる。また、負荷601、インバータ602、および制御回路からなる3相モータシステムに、上記実施の形態2の3相モータシステムを用いることができる。これにより、鉄道車両のインバータ602、コンバータ607の通電劣化を防ぎつつ、鉄道車両の小型化、軽量化および低コスト化を実現することができる。   According to the present embodiment, the converter 607 can use the power converter of the second embodiment. That is, by supplying power from the power converter to the load 601, the wheels WH of the railway vehicle can be driven. Further, the three-phase motor system according to the second embodiment can be used for a three-phase motor system including a load 601, an inverter 602, and a control circuit. This makes it possible to reduce the size, weight, and cost of the railway vehicle while preventing the deterioration of the power supply to the inverter 602 and the converter 607 of the railway vehicle.

(実施の形態5)
本実施の形態においては、上記実施の形態1の応用例について説明する。
(Embodiment 5)
In the present embodiment, an application example of the first embodiment will be described.

(応用例1)
実施の形態1の半導体装置(図1〜図3)においては、前述したように、ゲートパッド(GP)が配置される領域(図1中の破線で囲んだ領域)GPAの周囲は、セル領域となり、セル構造からなるMOSFETが配置される(例えば、図2(B)参照)。即ち、MOSFETを構成する、n型のソース領域SRと、チャネル領域となるp型ボディ領域PBと、チャネル領域上にゲート絶縁膜GIを介して配置されたゲート電極GEとが、GPAの周囲に配置される。そして、上記p型ボディ領域PBの内側に上記n型のソース領域SRが配置され、n型のソース領域SRの内側にp型の半導体領域PRが配置されている(図1参照)。
(Application Example 1)
In the semiconductor device according to the first embodiment (FIGS. 1 to 3), as described above, the area around the gate pad (GP) (the area surrounded by the broken line in FIG. 1) GPA is a cell area. , And a MOSFET having a cell structure is arranged (for example, see FIG. 2B). That is, an n + -type source region SR, a p-type body region PB serving as a channel region, and a gate electrode GE arranged on the channel region via a gate insulating film GI, which constitute the MOSFET, are formed around the GPA. Placed in The n + -type source region SR is arranged inside the p-type body region PB, and the p + -type semiconductor region PR is arranged inside the n + -type source region SR (see FIG. 1). .

本応用例においては、ゲートパッド(GP)が配置される領域GPAの周囲に配置される上記p型ボディ領域PB、p型ボディ領域PBの内側のn型のソース領域SR、および、n型のソース領域SRの内側のp型の半導体領域PRのうち、上記p型ボディ領域PBを、領域GPAのp型ボディ領域PBと接するように配置し、かつ、n型のソース領域SRを省略する。図36は、本実施の形態の応用例1の半導体装置の構成を示す平面図であり、図37は、本実施の形態の応用例1の半導体装置の構成を示す断面図である。図37は、図36のD−D断面部に対応する。 In this application example, the p-type body region PB arranged around the region GPA where the gate pad (GP) is arranged, the n + -type source region SR inside the p-type body region PB, and n + The p-type body region PB of the p + -type semiconductor region PR inside the n + -type source region SR is disposed so as to be in contact with the p-type body region PB of the region GPA, and the n + -type source region SR Is omitted. FIG. 36 is a plan view illustrating a configuration of a semiconductor device of Application Example 1 of the present embodiment, and FIG. 37 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device of Application Example 1 of the present embodiment. FIG. 37 corresponds to a section taken along line DD of FIG.

図36および図37に示すように、本応用例においては、セル領域の略正方形のp型ボディ領域PBが、領域GPAのp型ボディ領域PBと接し、略正方形のp型ボディ領域PBの内側には、p型の半導体領域PRのみが形成されている。そして、この、略正方形のp型ボディ領域PBおよびその内側のp型の半導体領域PRは、コンタクトホールC1S内のプラグを介してソース電極SEと接続されている(図37参照)。 As shown in FIGS. 36 and 37, in this application example, the substantially square p-type body region PB of the cell region is in contact with the p-type body region PB of the region GPA, and is located inside the substantially square p-type body region PB. Has only ap + type semiconductor region PR formed therein. The substantially square p-type body region PB and the p + -type semiconductor region PR inside the p-type body region PB are connected to the source electrode SE via a plug in the contact hole C1S (see FIG. 37).

このように、領域GPAのp型ボディ領域PBとソース電極SEを、セル領域の略正方形のp型ボディ領域PBを介して接続することで、領域GPAのp型ボディ領域PBにソース電位を給電し易くなる。   As described above, the source potential is supplied to the p-type body region PB of the region GPA by connecting the p-type body region PB of the region GPA and the source electrode SE via the substantially square p-type body region PB of the cell region. Easier to do.

(応用例2)
上記応用例1においては、セル領域の略正方形のp型ボディ領域PBを利用して、領域GPAのp型ボディ領域PBへのソース電位のより良い給電を図ったが、領域GPAの左右において、p型ボディ領域PBをゲートパッド(GP)より一回り大きく形成し、かかる領域を利用してソース電位を給電してもよい。
(Application 2)
In the above-described application example 1, although the approximately square p-type body region PB of the cell region is used to supply the source potential better to the p-type body region PB of the region GPA, The p-type body region PB may be formed to be slightly larger than the gate pad (GP), and the source potential may be supplied using such a region.

図38および図39は、本実施の形態の応用例2の半導体装置の構成を示す平面図であり、図40は、本実施の形態の応用例2の半導体装置の構成を示す断面図である。図40は、図39のD−D断面部に対応する。   38 and 39 are plan views showing a configuration of a semiconductor device of Application Example 2 of the present embodiment, and FIG. 40 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device of Application Example 2 of the present embodiment. . FIG. 40 corresponds to a section taken along line DD of FIG.

図38〜図40に示すように、本応用例においては、領域GPAの左右のp型ボディ領域PBを、ゲートパッド(GP)より一回り大きく形成している。この領域を拡大領域PBwと言う。この拡大領域PBw上には、ソース電極SEが延在する(図40参照)。よって、PBwは、ソース電極SEと領域GPAの左右のp型ボディ領域PBとの重なり領域を含む。つまり、領域GPAのp型ボディ領域PBに拡大領域PBwを設け、この拡大領域PBwとソース電極SEとをコンタクトホールC1S内のプラグを介して接続する。この拡大領域PBwにも、p型の半導体領域PRGを設けることが好ましい。 As shown in FIGS. 38 to 40, in this application example, the left and right p-type body regions PB of the region GPA are formed to be slightly larger than the gate pad (GP). This area is called an enlarged area PBw. The source electrode SE extends over the enlarged region PBw (see FIG. 40). Therefore, PBw includes an overlapping region between source electrode SE and p-type body regions PB on the left and right of region GPA. That is, the enlarged region PBw is provided in the p-type body region PB of the region GPA, and the enlarged region PBw and the source electrode SE are connected via the plug in the contact hole C1S. It is preferable to provide the p + -type semiconductor region PRG also in the enlarged region PBw.

このように、領域GPAのp型ボディ領域PBとソース電極SEを、拡大領域PBwを介して接続することで、領域GPAの左右のp型ボディ領域PBwにソース電位を給電し易くなる。   In this manner, by connecting the p-type body region PB of the region GPA and the source electrode SE via the enlarged region PBw, it becomes easier to supply the source potential to the left and right p-type body regions PBw of the region GPA.

なお、本実施の形態の半導体装置においても、実施の形態2で説明した電力変換装置や実施の形態3で説明した自動車の3相モータシステムや実施の形態4で説明した鉄道車両のインバータまたはコンバータなどに適用可能である。   In the semiconductor device according to the present embodiment, the power conversion device described in the second embodiment, the three-phase motor system of the vehicle described in the third embodiment, and the inverter or converter of the railway vehicle described in the fourth embodiment And so on.

以上、本発明者らによってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。   As described above, the invention made by the present inventors has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. is there.

401 負荷
402 パワーモジュール
403 制御回路
404 パワーMOSFET
405〜411 端子
501a 駆動輪(車輪)
501b 駆動輪(車輪)
502 駆動軸
503 3相モータ
504 インバータ
505 バッテリ
506 電力ライン
507 電力ライン
508 昇圧コンバータ
509 リレー
510 電子制御ユニット
511 リアクトル
512 平滑用コンデンサ
513 インバータ
514 パワーMOSFET
601 負荷
602 インバータ
604 パワーMISFET
607 コンバータ
608 キャパシタ
609 トランス
C1GE コンタクトホール
C1GR コンタクトホール
C1S コンタクトホール
DE ドレイン電極
GD1〜GD4 MOSFET
GE ゲート電極
GF ゲートフィンガー
GI ゲート絶縁膜
GND 接地電位
GP ゲートバッド
GPA 領域(ゲートパッドが配置される領域)
GRa p型の半導体領域
GRb p型の半導体領域
IL1 絶縁膜(フィールド絶縁膜)
IL2 絶縁膜(層間絶縁膜)
ND n型の半導体層
NR n型の半導体領域
NS SiC基板
OA1 開口部
OW 架線
PB p型ボディ領域
PG パンタグラフ
PR p型の半導体領域
PRG p型の半導体領域
RT 線路
SE ソース電極
SR ソース領域
TM p型の半導体領域
Vcc 電源電圧
WH 車輪
401 load 402 power module 403 control circuit 404 power MOSFET
405-411 Terminal 501a Drive wheel (wheel)
501b Drive wheel (wheel)
502 Drive shaft 503 Three-phase motor 504 Inverter 505 Battery 506 Power line 507 Power line 508 Boost converter 509 Relay 510 Electronic control unit 511 Reactor 512 Smoothing capacitor 513 Inverter 514 Power MOSFET
601 Load 602 Inverter 604 Power MISFET
607 Converter 608 Capacitor 609 Transformer C1GE Contact hole C1GR Contact hole C1S Contact hole DE Drain electrodes GD1 to GD4 MOSFET
GE Gate electrode GF Gate finger GI Gate insulating film GND Ground potential GP Gate pad GPA region (region where gate pad is arranged)
GRa p + type semiconductor region GRb p + type semiconductor region IL1 Insulating film (field insulating film)
IL2 insulating film (interlayer insulating film)
ND n type semiconductor layer NR n + type semiconductor region NS SiC substrate OA1 opening OW overhead wire PB p type body region PG pantograph PR p + type semiconductor region PRG p + type semiconductor region RT line SE source electrode SR source Region TM p-type semiconductor region Vcc Power supply voltage WH Wheel

Claims (11)

基板の上面上に形成され、炭化ケイ素を含む第1導電型の半導体層と、
素子形成領域の外周部において、前記半導体層の上部に形成された前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の第1ウエル領域と、
前記第1ウエル領域中に形成された前記第2導電型の第1半導体領域と、
前記素子形成領域に形成され、前記半導体層の上部に形成された前記第2導電型の第2ウエル領域と、
前記第2ウエル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有する半導体素子と、
前記ゲート電極と接続されたゲートパッドと、
を有し、
前記第1ウエル領域は、前記ゲートパッドの形成領域に延在し、
前記ゲート電極は、前記ゲートパッドの形成領域において、前記第1ウエル領域上に第1絶縁膜を介して配置され、
前記ゲートパッドの形成領域において、前記第1ウエル領域中に形成された前記第2導電型の第2半導体領域を有し、
前記第2半導体領域の前記第2導電型の不純物濃度は、前記第1ウエル領域の前記第2導電型の不純物濃度より大きく、
前記第1半導体領域は、前記素子形成領域の外周部において、環状に配置され、
前記第2半導体領域は、前記第1半導体領域と接続され、
前記第2半導体領域は、第1方向に長辺を有する複数の矩形状のパターンよりなり、
前記第1方向は、<11−20>方向に垂直な方向である、半導体装置。
A first conductivity type semiconductor layer formed on the upper surface of the substrate and including silicon carbide;
A first well region of a second conductivity type, which is a conductivity type opposite to the first conductivity type, formed on the semiconductor layer at an outer peripheral portion of the element formation region;
A first semiconductor region of the second conductivity type formed in the first well region;
A second well region of the second conductivity type formed in the element formation region and formed on the semiconductor layer;
A semiconductor device having a gate electrode formed on the second well region via a gate insulating film;
A gate pad connected to the gate electrode;
Has,
The first well region extends to a region where the gate pad is formed,
The gate electrode is disposed on the first well region via a first insulating film in a region where the gate pad is formed;
A second semiconductor region of the second conductivity type formed in the first well region in a formation region of the gate pad;
The impurity concentration of the second conductivity type of the second semiconductor region is much larger than the impurity concentration of said second conductivity type of said first well region,
The first semiconductor region is annularly arranged at an outer peripheral portion of the element formation region,
The second semiconductor region is connected to the first semiconductor region;
The second semiconductor region includes a plurality of rectangular patterns having long sides in a first direction,
The semiconductor device , wherein the first direction is a direction perpendicular to a <11-20> direction .
請求項記載の半導体装置において、
前記矩形状のパターンの前記第1方向と直交する第2方向の長さは、100μm以下である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 ,
The semiconductor device, wherein a length of the rectangular pattern in a second direction orthogonal to the first direction is 100 μm or less.
請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体素子は、
前記素子形成領域の前記半導体層の上面に形成されたn型のソース領域と、
前記ソース領域と接するチャネル領域上に前記ゲート絶縁膜を介して形成された前記ゲート電極と、
前記ソース領域と接する前記第2導電型の第3半導体領域と、
を有し、
前記ソース領域と、前記第3半導体領域とは、前記チャネル領域を構成する前記第2導電型の第2ウエル領域中に配置されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor element comprises:
An n-type source region formed on an upper surface of the semiconductor layer in the element formation region;
The gate electrode formed on the channel region in contact with the source region via the gate insulating film;
A third semiconductor region of the second conductivity type in contact with the source region;
Has,
The semiconductor device, wherein the source region and the third semiconductor region are arranged in a second well region of the second conductivity type that forms the channel region.
請求項記載の半導体装置において、
前記第1半導体領域と、前記第2半導体領域と、前記第3半導体領域の、前記第2導電型の濃度は同程度である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3 ,
A semiconductor device, wherein the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the third semiconductor region have substantially the same concentration of the second conductivity type.
請求項記載の半導体装置において、
前記ソース領域、前記第3半導体領域および前記第1半導体領域に接続されるソース電極と、
前記基板の裏面に形成されたドレイン電極と、を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3 ,
A source electrode connected to the source region, the third semiconductor region, and the first semiconductor region;
And a drain electrode formed on the back surface of the substrate.
請求項記載の半導体装置において、
前記第2ウエル領域と前記半導体層とで構成されるダイオードを有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3 ,
A semiconductor device having a diode composed of the second well region and the semiconductor layer.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第1導電型は、n型であり、前記第2導電型は、p型である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the first conductivity type is an n-type and the second conductivity type is a p-type.
請求項1記載の半導体装置を有する、パワーモジュール。   A power module comprising the semiconductor device according to claim 1. 請求項記載のパワーモジュールにおいて、
請求項1記載の前記半導体素子であるMOSFETで構成されるインバータを有する、パワーモジュール。
The power module according to claim 8 ,
A power module comprising an inverter constituted by a MOSFET as the semiconductor element according to claim 1.
請求項1記載の半導体装置を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュール内の前記半導体装置を制御する制御回路と、
を有する、電力変換装置。
A power module having the semiconductor device according to claim 1,
A control circuit for controlling the semiconductor device in the power module;
A power conversion device comprising:
請求項10記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールは、請求項1記載の前記半導体素子であるMOSFETで構成されるインバータを有する、電力変換装置。
The power converter according to claim 10 ,
A power converter, wherein the power module includes an inverter configured by a MOSFET that is the semiconductor element according to claim 1.
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