JP6960602B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。 The present disclosure relates to silicon carbide semiconductor devices.
パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている。従来は、シリコン(Si)基板を用いたパワー半導体デバイスが主流であったが、近年、炭化珪素(SiC)基板を用いたパワー半導体デバイスが注目され、開発が進められている。 A power semiconductor device is a semiconductor device used for applications in which a large current flows with a high withstand voltage, and is desired to have a low loss. Conventionally, power semiconductor devices using a silicon (Si) substrate have been the mainstream, but in recent years, power semiconductor devices using a silicon carbide (SiC) substrate have attracted attention and are being developed.
炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて材料自体の絶縁破壊電圧が一桁高いので、pn接合部またはショットキー接合部における空乏層を薄くしても耐圧を維持することができるという特徴を有している。このため、炭化珪素を用いると、デバイスの厚さを小さくすることができ、また、ドーピング濃度を高めることができるので、炭化珪素は、オン抵抗が低く、高耐圧で低損失のパワー半導体デバイスを形成するための材料として期待されている。 Since silicon carbide (SiC) has an order of magnitude higher breakdown voltage of the material itself than silicon (Si), it is possible to maintain the withstand voltage even if the depletion layer at the pn junction or Schottky junction is thinned. It has characteristics. Therefore, when silicon carbide is used, the thickness of the device can be reduced and the doping concentration can be increased. Therefore, silicon carbide is a power semiconductor device having a low on-resistance, a high withstand voltage, and a low loss. It is expected as a material for forming.
近年、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池自動車など、モータを駆動源とする車両が開発されている。上述した特徴は、これらの車両のモータを駆動するインバータ回路のスイッチング素子に有利であるため、車載用の炭化珪素パワー半導体デバイスが開発されている。 In recent years, vehicles using a motor as a drive source, such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle, have been developed. Since the above-mentioned features are advantageous for switching elements of inverter circuits that drive the motors of these vehicles, silicon carbide power semiconductor devices for automobiles have been developed.
車載用の電子部品は、車両が屋外のさまざまな環境下で使用され得るという観点から、他の民生用の電子部品と比べて、過酷な環境条件に対する耐久性が求められる。例えば、電子部品の耐久性は、高温高湿バイアス試験(以下、THB試験という)によって評価される。特許文献1、2は、高温高湿バイアス環境に対して信頼性を有する半導体装置を開示している。
In-vehicle electronic components are required to be more durable against harsh environmental conditions than other consumer electronic components from the viewpoint that the vehicle can be used in various outdoor environments. For example, the durability of electronic components is evaluated by a high temperature and high humidity bias test (hereinafter referred to as THB test).
上述の従来技術の半導体装置においては、さらなる信頼性の向上が求められていた。本開示の一態様は、より信頼性が高められた炭化珪素半導体装置を提供する。 In the above-mentioned conventional semiconductor device, further improvement in reliability has been required. One aspect of the present disclosure provides a more reliable silicon carbide semiconductor device.
本開示の炭化珪素半導体装置は、活性領域および前記活性領域を囲む終端領域を含む第1導電型の炭化珪素基板と、前記活性領域に位置する複数のユニットセルと、前記終端領域に位置する終端構造とを備えた炭化珪素半導体装置であって、各ユニットセルは、少なくとも前記炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上の第1炭化珪素半導体層と、前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域と、前記第1ボディ領域内に選択的に形成されたソース領域と、前記第1炭化珪素半導体層の上方に位置するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、前記第1ボディ領域と接する第1コンタクト領域と、前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続された内周上部ソース電極とを含み、前記終端構造は、前記炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に位置する前記第1炭化珪素半導体層と、前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成され、前記活性領域を囲む環形状を有する第2導電型の第2ボディ領域と、前記第1炭化珪素半導体層の前記表面に位置し、前記第2ボディ領域を囲む少なくとも1つの第2導電型のリングと、前記第2ボディ領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、前記第2コンタクト領域の上方に位置する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上方に位置し、前記層間絶縁膜を貫通して前記第2コンタクト領域に電気的に接続され、前記活性領域を囲む少なくとも1つの外周上部ソース電極と、前記ゲート電極に電気的に接続され、前記活性領域の前記内周上部ソース電極と前記外周上部ソース電極との間に位置する上部ゲート電極とを含み、窒化珪素からなり、前記活性領域および前記終端領域において、パッド領域を除いて、前記内周上部ソース電極および前記上部ゲート電極と、少なくとも前記外周上部ソース電極の内側面を覆う第1保護膜と、有機材料からなり、前記活性領域および前記終端領域において、前記第1保護膜と、少なくとも前記リングの上方とを覆う第2保護膜とをさらに備える。 The silicon carbide semiconductor device of the present disclosure includes a first conductive type silicon carbide substrate including an active region and a terminal region surrounding the active region, a plurality of unit cells located in the active region, and a terminal located in the terminal region. A silicon carbide semiconductor device having a structure, each unit cell is selected on the surface of at least the silicon carbide substrate, the first silicon carbide semiconductor layer on the silicon carbide substrate, and the first silicon carbide semiconductor layer. The first body region of the second conductive type, the source region selectively formed in the first body region, and the gate insulating film located above the first silicon carbide semiconductor layer. A gate electrode located on the gate insulating film, a first contact region in contact with the first body region, and an inner peripheral upper source electrode electrically connected to the first contact region and the source region are included. The terminal structure is selectively formed on the surfaces of the silicon carbide substrate, the first silicon carbide semiconductor layer located on the silicon carbide substrate, and the first silicon carbide semiconductor layer, and surrounds the active region. A second conductive type second body region having a shape, at least one second conductive type ring located on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and surrounding the second body region, and the second body. A second conductive type second contact region selectively formed on the surface of the region, an interlayer insulating film located above the second contact region, and an interlayer insulating film located above the interlayer insulating film. And electrically connected to the second contact region, at least one outer peripheral upper source electrode surrounding the active region, and electrically connected to the gate electrode, the inner peripheral upper source electrode of the active region. It includes an upper gate electrode located between the outer peripheral upper source electrode and the outer peripheral upper source electrode, is made of silicon nitride, and in the active region and the terminal region, except for the pad region, the inner peripheral upper source electrode and the upper gate electrode. A second protective film that covers at least the inner surface of the outer peripheral upper source electrode and an organic material, and covers the first protective film and at least above the ring in the active region and the terminal region. Further provided with a protective film.
本開示の炭化珪素半導体装置によれば、高温高湿バイアス環境における信頼性をより向上させることが可能となる。 According to the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure, it is possible to further improve the reliability in a high temperature and high humidity bias environment.
本願発明者は、従来技術による半導体装置にTHB試験を行い、信頼性を評価した。特許文献1に開示された半導体装置は、チップ全体を覆う有機絶縁体からなる保護膜を備えている。また、特許文献2に開示された半導体装置は、無機保護膜および有機絶縁膜からなる2層構造の保護膜を備えている。これらの半導体装置を作製し、85℃、85%の相対湿度で、1200Vのバイアス電圧を印加し保管試験を行ったところ、閾値電圧の低下あるいはドレインーソース間のリークが発生することが確認された。閾値電圧の低下は、保護膜から水分あるいは可動イオンが侵入し、閾値電圧の変動を生じさせると考えられる。また、ドレインーソース間のリークは特にチップの終端領域において、窒化珪素膜が浮き上がったり、窒化珪素膜に亀裂が生じ、保護膜から半導体装置内へ水分等が侵入し、リーク電流が流れることによるものと考えられる。
The inventor of the present application conducted a THB test on a semiconductor device according to a conventional technique to evaluate its reliability. The semiconductor device disclosed in
このような知見に基づき本願発明者は新規な保護構造を備えた炭化珪素半導体装置を想到した。本開示の炭化珪素半導体装置の概略は以下の通りである。 Based on these findings, the inventor of the present application has conceived a silicon carbide semiconductor device having a novel protective structure. The outline of the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure is as follows.
本開示の炭化珪素半導体装置は、活性領域および前記活性領域を囲む終端領域を含む第1導電型の炭化珪素基板と、前記活性領域に位置する複数のユニットセルと、前記終端領域に位置する終端構造とを備えた炭化珪素半導体装置であって、各ユニットセルは、少なくとも前記炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上の第1炭化珪素半導体層と、前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域と、前記第1ボディ領域内に選択的に形成されたソース領域と、前記第1炭化珪素半導体層の上方に位置するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、前記第1ボディ領域と接する第1コンタクト領域と、前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続された内周上部ソース電極とを含み、前記終端構造は、前記炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に位置する前記第1炭化珪素半導体層と、前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成され、前記活性領域を囲む環形状を有する第2導電型の第2ボディ領域と、前記第1炭化珪素半導体層の前記表面に位置し、前記第2ボディ領域を囲む少なくとも1つの第2導電型のリングと、前記第2ボディ領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、前記第2コンタクト領域の上方に位置する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上方に位置し、前記層間絶縁膜を貫通して前記第2コンタクト領域に電気的に接続され、前記活性領域を囲む1つまたは複数の外周上部ソース電極と、前記ゲート電極に電気的に接続され、前記活性領域の前記内周上部ソース電極と前記外周上部ソース電極との間に位置する上部ゲート電極とを含み、窒化珪素からなり、前記活性領域および前記終端領域において、パッド領域を除いた、前記内周上部ソース電極および前記上部ゲート電極と、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、最も内側に位置する外周上部ソース電極の内側面を覆う第1保護膜と、有機材料からなり、前記活性領域および前記終端領域において、前記第1保護膜と、少なくとも前記リングの一部の上方とを覆う第2保護膜とをさらに備える。 The silicon carbide semiconductor device of the present disclosure includes a first conductive type silicon carbide substrate including an active region and a terminal region surrounding the active region, a plurality of unit cells located in the active region, and a terminal located in the terminal region. A silicon carbide semiconductor device having a structure, each unit cell is selected on the surface of at least the silicon carbide substrate, the first silicon carbide semiconductor layer on the silicon carbide substrate, and the first silicon carbide semiconductor layer. The first body region of the second conductive type, the source region selectively formed in the first body region, and the gate insulating film located above the first silicon carbide semiconductor layer. A gate electrode located on the gate insulating film, a first contact region in contact with the first body region, and an inner peripheral upper source electrode electrically connected to the first contact region and the source region are included. The terminal structure is selectively formed on the surfaces of the silicon carbide substrate, the first silicon carbide semiconductor layer located on the silicon carbide substrate, and the first silicon carbide semiconductor layer, and surrounds the active region. A second conductive type second body region having a shape, at least one second conductive type ring located on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and surrounding the second body region, and the second body. A second conductive type second contact region selectively formed on the surface of the region, an interlayer insulating film located above the second contact region, and an interlayer insulating film located above the interlayer insulating film. And electrically connected to the second contact region, one or more outer peripheral upper source electrodes surrounding the active region, and electrically connected to the gate electrode, the inner peripheral upper part of the active region. The inner peripheral upper source electrode and the upper portion, including the upper gate electrode located between the source electrode and the outer peripheral upper source electrode, made of silicon nitride, excluding the pad region in the active region and the terminal region. It is composed of a gate electrode, a first protective film covering the inner surface of the outermost upper source electrode located on the innermost side of the one or more outer peripheral upper source electrodes, and an organic material, and in the active region and the terminal region. A second protective film that covers at least a part of the ring is further provided.
前記1つまたは複数の外周上部ソース電極と前記内周上部ソース電極とは電気的に接続されていてもよい。 The one or more outer peripheral upper source electrodes and the inner peripheral upper source electrode may be electrically connected.
前記第1保護膜の外側面は、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、もっとも外側に位置する外周上部ソース電極と、前記少なくとも1つのリングとの間に位置していてもよい。 The outer surface of the first protective film may be located between the outermost outer peripheral upper source electrode located on the outermost side of the one or more outer peripheral upper source electrodes and the at least one ring.
前記第1保護膜の外側面は、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、もっとも外側に位置する外周上部ソース電極上に位置しており、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、もっとも外側に位置する外周上部ソース電極の外側面は、前記第2保護膜と接していてもよい。 The outer surface of the first protective film is located on the outermost outer peripheral upper source electrode located on the outermost side of the one or more outer peripheral upper source electrodes, and the outer peripheral upper source electrode of the one or more outer peripheral upper source electrodes. Of these, the outer surface of the outermost outer peripheral upper source electrode located on the outermost side may be in contact with the second protective film.
前記終端構造は、2以上の複数の前記リングを備え、前記第1保護膜は、前記複数のリングのうち、少なくとも最も内側に位置するリングの上方を覆ってかつ、前記複数のリングのうち、少なくとも最も外側に位置するリングの上方を覆っていなくてもよい。 The termination structure comprises two or more of the rings, the first protective film covering at least the innermost ring of the rings and of the rings. It does not have to cover at least the outermost ring.
前記終端構造は、3以上の複数の前記リングを備え、前記第1保護膜は、前記複数のリングのうち、最も内側に位置するリングを含む2以上のリングの上方を覆っており、かつ、前記複数のリングのうち、少なくとも最も外側に位置するリングの上方を覆っていなくてもよい。 The termination structure comprises three or more of the rings, the first protective film covering above two or more of the rings, including the innermost ring, and Of the plurality of rings, it is not necessary to cover at least the outermost ring.
前記複数のリングの伸びる方向に垂直な断面において、前記複数のリングの伸びる方向に垂直な断面において、最も内側のリングの内側面と最も外側のリング外側面の間隔Wは、60μm以上120μm以下であり、前記断面において、前記第1保護膜の外側面と前記最も内側に位置するリングの外側面との距離は、18μm以上50μm以下であってもよい。 In the cross section perpendicular to the extending direction of the plurality of rings, in the cross section perpendicular to the extending direction of the plurality of rings, the distance W between the inner surface of the innermost ring and the outer surface of the outermost ring is 60 μm or more and 120 μm or less. In the cross section, the distance between the outer surface of the first protective film and the outer surface of the innermost ring may be 18 μm or more and 50 μm or less.
前記炭化珪素基板はスクライブライン領域を有し、前記第2保護膜は前記スクライブライン領域を覆っていなくてもよい。 The silicon carbide substrate has a scribe line region, and the second protective film does not have to cover the scribe line region.
前記終端構造は、前記第2コンタクト領域の内周側の表面に位置し、かつ電気的に接触している第1ベース電極と、前記第2コンタクト領域の外周側の表面に位置し、かつ電気的に接触している少なくとも1つの第2ベース電極とを備え、前記第1ベース電極は、前記内周上部ソース電極と電気的に接続され、前記第2ベース電極は、前記外周上部ソース電極と電気的に接続されていてもよい。 The terminal structure is located on the inner peripheral surface of the second contact region and is electrically in contact with the first base electrode, and is located on the outer peripheral surface of the second contact region and is electrically connected. The first base electrode is electrically connected to the inner peripheral upper source electrode, and the second base electrode is electrically connected to the outer peripheral upper source electrode. It may be electrically connected.
前記第2ベース電極は、前記第2コンタクト領域の表面において、前記活性領域を囲んでいてもよい。 The second base electrode may surround the active region on the surface of the second contact region.
前記終端構造は、島形状を有する複数の第1ベース電極を備えていてもよい。 The termination structure may include a plurality of first base electrodes having an island shape.
前記第1炭化珪素半導体層の表面において、前記リングの外側に位置し、かつ、前記リングを囲むように選択的に形成された第3コンタクト領域と、前記第3コンタクト領域と電気的に接触している第3ベース電極と、前記第3ベース電極に接続され、前記リングのうち最も外側のリングを囲むシール電極とをさらに備えていてもよい。 On the surface of the first silicon carbide semiconductor layer, a third contact region located outside the ring and selectively formed so as to surround the ring is in electrical contact with the third contact region. A third base electrode that is connected to the third base electrode and a seal electrode that is connected to the third base electrode and surrounds the outermost ring of the rings may be further provided.
前記第2保護膜は、前記シール電極を覆っていてもよい。 The second protective film may cover the seal electrode.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本開示の炭化珪素半導体装置の実施形態を説明する。
(First Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1Aは、本実施形態の炭化珪素半導体装置201の平面図であり、図2Aおよび図2Bは、それぞれ図1Aに示すA−A’線およびB−B’線における炭化珪素半導体装置201の断面図である。図2Cは、後述する第1炭化珪素半導体層102の表面のうち、図1Aに示すA−A’線およびB−B’線近傍を示す平面図である。
1A is a plan view of the silicon
炭化珪素半導体装置201は、第1導電型の炭化珪素基板101と、炭化珪素基板101の主面に位置する第1炭化珪素半導体層(ドリフト層)102とを備える。炭化珪素基板101の裏面にはドレイン電極110およびドレイン電極110上に配置された配線電極113が位置している。本実施形態では、第1導電型はn型であり、第2導電型はp型である。しかし、第1導電型がp型であり、第2導電型はn型であってもよい。
The silicon
炭化珪素基板101は、活性領域100Aと、終端領域100Eとを含む。図1Bは、炭化珪素基板101の主面に垂直な方向から見たこれらの領域の配置を模式的に示している。図1Bに示すように、終端領域100Eが活性領域100Aを囲んでいる。炭化珪素基板101は、終端領域100Eを囲むように外側に位置するスクライブライン領域100Sをさらに含んでいる。スクライブライン領域とはウエハをダイシングしてチップに分割するときの切りしろであり、ここには金属を配置しない。
The
炭化珪素半導体装置201は、活性領域100Aに位置する複数のユニットセル100uを含む。複数のユニットセル100uのそれぞれは、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)として機能し、互いに並列に接続されている。つまり、ユニットセル100uにおいて、トランジスタが構成されており、炭化珪素半導体装置201は複数のトランジスタを含む。炭化珪素基板101の主面に垂直な方向からみて、複数のユニットセル100uは、2次元に配列されている。
The silicon
各ユニットセル100uは、第1導電型の炭化珪素基板101と、炭化珪素基板101上に位置する第1導電型の第1炭化珪素半導体層102と、第1炭化珪素半導体層102の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域103と、第1ボディ領域103の表面に選択的に形成されたソース領域104と、第1炭化珪素半導体層102の上方に位置するゲート絶縁膜107と、ゲート絶縁膜107上に位置するゲート電極108とを備えている。本実施形態では、第1炭化珪素半導体層102とゲート絶縁膜107との間にチャネル層として第2炭化珪素半導体層106が設けられている。
Each
第1炭化珪素半導体層102において、ソース領域104は、高濃度で第1導電型の不純物を含む(n+型)。第1ボディ領域103への電気的接続のため、第1ボディ領域103よりも高い濃度で第2導電型の不純物を含む第2導電型の第1コンタクト領域105がソース領域104内であって、ソース領域104の下方で第1ボディ領域103と接する位置に設けられている。また、第1炭化珪素半導体層102の表面には、ソース領域104および第1コンタクト領域105とオーミック接合によって電気的に接続されたソース電極109が設けられている。従って、第1ボディ領域103は、第1コンタクト領域105を介してソース電極109と電気的に接続される。
In the first silicon
第1ボディ領域103、ソース領域104および第1コンタクト領域105は、例えば、第1炭化珪素半導体層102に対して不純物を注入する工程と、第1炭化珪素半導体層102に注入された不純物を活性化させる高温熱処理(活性化アニール)工程とによって形成される。ソース電極109は、例えば、第1炭化珪素半導体層102におけるソース領域104および第1コンタクト領域105の上に例えば導電材料(Ni)層を形成した後、高温で熱処理することによって形成できる。
The
ソース領域104と第1炭化珪素半導体層102とは、第2炭化珪素半導体層106を介して接続されている。第2炭化珪素半導体層106は、例えば、エピタキシャル成長によって第1炭化珪素半導体層102の上に形成された4H−SiC層であり、第1導電型の不純物がドープされている。第2炭化珪素半導体層106の厚さは例えば75nm以下であり、かつ、ドーピング濃度は1×1018cm-3以上であってもよい。
The
第2炭化珪素半導体層106は、上述したドーピング濃度の第1導電型の不純物層と不純物層上に設けられたアンドープ層とを含む2層構造を備えていてもよい。第2炭化珪素半導体層106の厚さは、炭化珪素半導体装置201の製造工程中における犠牲酸化やゲート酸化の形成によって減少する場合がある。第2炭化珪素半導体層106の厚さの減少量がばらつくと、炭化珪素半導体装置201における順方向の閾値電圧、逆方向の立ち上がり電圧等の電気特性にばらつきが生じる。第2炭化珪素半導体層106がアンドープ層を備えていれば、犠牲酸化やゲート酸化の形成によって主としてアンドープ層の厚みが減っても、第1導電型の不純物を含む不純物層はそのまま残るため、電気的特性に変動が生じにくくなる。
The second silicon
また、第2炭化珪素半導体層106は上述した2層構造に加え、第1炭化珪素半導体層102側に位置する第1導電型の低濃度不純物層を含む3層構造を備えていてもよい。例えば、第1導電型の低濃度不純物層のドーピング濃度は、1×1017cm-3以下である。このような構造を採用することによって、第2炭化珪素半導体層106のエピタキシャル成長の初期において、成長レートが不安定であることによる不純物濃度のばらつきを低減することができる。
Further, the second silicon
第2炭化珪素半導体層106は後述する終端領域のFLR領域100F上には設けられていないことが好ましい。例えば、第2炭化珪素半導体層106を第1炭化珪素半導体層102上に形成した後、FLR領域100Fにおいて、第2炭化珪素半導体層106を除去することが好ましい。第2炭化珪素半導体層は第1導電型を有するため、第2導電型を有するリング120と接する領域は空乏化して正の空間電荷を生じる。この正の空間電荷によって、FLR領域のリングから第1炭化珪素半導体層へ空乏層がのびにくくなり、耐圧が低下するからである。図3はFLR領域100F上の第2炭化珪素半導体層の有無によるオフ状態のId−Vd特性の違いを示す。FLR領域100F上の第2炭化珪素半導体層を除去した方がリーク電流の大きさは変わらないが、耐圧が高いことが判る。第2炭化珪素半導体層の除去は例えばドライエッチングによって実施できる。
It is preferable that the second silicon
ソース領域104および第1コンタクト領域105は、それぞれ、ソース電極109とオーミック接触を形成している。ゲート電圧を印加することにより、第1ボディ領域103の表面近傍にチャネルとなる反転層を形成させてトランジスタを動作させることができる。
The
ゲート絶縁膜107は、例えば、第2炭化珪素半導体層106の表面を熱酸化することによって形成された熱酸化膜(SiO2膜)である。ゲート電極108は、例えば導電性
のポリシリコンを用いて形成されている。
The
層間絶縁膜111は、活性領域100Aおよび終端領域100Eにおけるゲート電極108、終端領域100Eにおけるゲート絶縁膜107等を覆って第1炭化珪素層102または第2炭化珪素層上に位置している。このため、ゲート電極108は、層間絶縁膜111によって覆われている。また、終端領域100Eにおいては、層間絶縁膜は第2コンタクト領域116の上方に位置している。層間絶縁膜111には開口部111cが形成されており、各ユニットセルにおけるソース電極109は、この開口部111cを介して、上部ソース電極(例えばAl電極)112に並列に接続されている。後述するように、上部ソース電極112のうち、活性領域100Aおよび終端領域100Eの一部に位置する部分を内周上部ソース電極112Fと呼ぶ。
The
炭化珪素半導体装置201は、終端領域100Eにおいて、終端構造100eを有する。炭化珪素半導体はSiに比べて10倍以上高い絶縁破壊電界強度を有する。このため、炭化珪素半導体装置では、半導体装置の表面構造における電界集中による絶縁破壊を抑制することが重要であり、終端構造100eは、半導体装置の表面での電界の集中を緩和させる。終端領域100Eにはトランジスタとして動作するユニットセル100uは設けられていない。
The silicon
終端構造100eは、終端領域100Eにおいて、炭化珪素基板101と、炭化珪素基板101の主面に位置する第1炭化珪素半導体層102とを備える。また、終端構造100eは、第1炭化珪素半導体層102の表面に選択的に形成され、活性領域100Aを囲む第2導電型の第2ボディ領域115と、第2ボディ領域115の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域116とを含む。第1ボディ領域の第2導電型の不純物濃度は例えば1×1017cm−3から1×1019cm−3であり、第2ボディ領域の第2導電型不純物濃度は例えば1×1019cm−3〜1×1021cm−3である。第2コンタクト領域116も第2ボディ領域115と同様、活性領域100Aを囲んでいる。第2ボディ領域115は、深さ方向において、第1ボディ領域103と同じ不純物濃度プロファイルを有してもよい。同様に、第2コンタクト領域116は、深さ方向において、第1コンタクト領域105と、同じ不純物濃度プロファイルを有してもよい。つまり、第2ボディ領域115は第1ボディ領域103と同じ工程によって形成してもよく、第2コンタクト領域116は第1コンタクト領域105と同じ工程によって形成してもよい。
The
終端構造100eは、第1ベース電極119aおよび複数の第2ベース電極119b、119cからなる複数のベース電極を備える。ベース電極119a、119b、119cは、第2コンタクト領域116と接触するように第1炭化珪素半導体層102の表面に形成されている。第1ベース電極119aは、終端領域100Eの第2コンタクト領域116のうち、活性領域100Aに近接する内周側(図の左側)の領域に位置している。図2Cは炭化珪素半導体装置のうち図1AのA−A’、B−B’部の近傍で、ゲート酸化膜よりも下層に位置する半導体層および電極を示す図面である。したがって、図2Cには層間絶縁膜、ゲート絶縁膜、上部電極、ゲート電極は含まれない。図2Cに示すように、第1炭化珪素半導体層102の表面において、第1ベース電極119aは、島状に形成されており、例えば、活性領域100Aにおけるソース電極109と同様に配列されている。一方、第2ベース電極119b、119cは、後述するゲート電極108の外周縁よりも外側であって、第2コンタクト領域116の外周側(図の右側)の領域に位置し、活性領域100Aを囲む。つまり、炭化珪素基板101の主面に垂直な方向からみて環形状を有している。本実施形態では、終端構造100eは、環形状を有する2つの第2ベース電極119b、119cを含む。活性領域100Aに対して外側に位置する第2ベース電極119cがより内側に位置する第2ベース電極119bを囲んでいる。環形状の第2ベース電極は1つであってもよいし、3以上であってもよい。ベース電極119a、119b、119cは、例えば、第1炭化珪素半導体層102における第2コンタクト領域116の上に例えば導電材料(Ni)層を形成した後、高温で熱処理することによって形成でき、ソース電極109と同一の材質で形成することができる。
The
終端領域100Eにおいて、第1炭化珪素半導体層102の上には第2炭化珪素半導体層106と、ゲート絶縁膜107とが位置している。また、終端領域100Eにおいて、上部ゲート電極を設けるため、ゲート電極108もゲート絶縁膜107上に位置している。また、ゲート電極108を覆って層間絶縁膜111が位置している。これらの構成要素は、活性領域100Aにおける対応する構成要素と連続している。
In the
図2Dは、図2Cの領域において、第2炭化珪素半導体層106上に形成されるゲート電極108と下層の半導体層およびソース電極、ベース電極との位置関係を示す図である。活性領域100Aにおいては、ゲート電極108は、ソース電極109およびベース電極119aを除いてゲート絶縁膜107上に網目構造の形状で設けられている。隣接するユニットセル100u間のゲート電極は互いに接続されている。このため、図2Aおよび図2Dに示すように、ソース電極109を横切るA−A’線断面では、ゲート電極108はソース電極109の位置において分断されている。一方、図2Bおよび図2Dに示すように、ソース電極109を横切らないB−B’線断面では、ゲート電極108は活性領域100Aにおいて、連続している。
FIG. 2D is a diagram showing the positional relationship between the
層間絶縁膜111には開口部111dが形成されており、ベース電極119a、119b、119cは、この開口部111dを介して、上部ソース電極112に接続されている。後述するように、上部ソース電極112のうち、環形状の第2ベース電極119b、119cに接続されている部分を外周上部ソース電極112Hと呼ぶ。外周上部ソース電極112Hは、第2ベース電極119b、119cに対応した環形状を有している。一方、上部ソース電極112のうち、活性領域100Aに位置する部分、および、第1ベース電極119aに接続されている部分112aを内周上部ソース電極112Fと呼ぶ。図2では、第2ベース電極119b、119cに対応する外周上部ソース電極112Hb、112Hcが位置している。本実施形態では、外周上部ソース電極112Hb、112Hcは接続されているが、分離していてもよい。つまり、終端構造は、1つまたは複数の外周上部ソース電極112Hを有する。外周上部ソース電極112Hが1つである場合、最も外側の外周上部ソース電極112Hとは、当該1つの外周上部ソース電極112Hを指す。
An
同様に、層間絶縁膜には開口部111gが形成されており、ゲート電極108は、開口部111gを介して、上部ゲート電極114に接続されている。上部ゲート電極114は例えばAl電極であり、上部ソース電極112と同じ工程によって形成することができる。
Similarly, an opening 111 g is formed in the interlayer insulating film, and the
終端構造100eは、第1炭化珪素半導体層102の表面に位置し、第2ボディ領域115を囲むFLR領域100Fにおいて、少なくとも1つの第2導電型のリング120を有する。第一炭化珪素半導体層は例えば不純物濃度1×1015〜1×1016cm−3のn型炭化珪素からなり、第2導電型のリングは1×1017〜1×1019cm−3のp型の炭化珪素からなる。第2導電型のリングは通常イオン注入によって第一炭化珪素半導体層の表面にイオン注入によって選択的に形成されるが、ユニットセルの第一ボディ領域、終端領域の第2ボディ領域と同一の不純物濃度であってよく、この場合、同一のイオン注入工程によって同時に形成されても良い。p型のリング120は、炭化珪素基板101の表面に垂直な方向から見て、活性領域100Aの外側に位置する第2ボディ領域115を囲むリング形状を有する。本実施形態では、複数のリング120を備え、FLR構造を構成している。具体的には、炭化珪素基板101の表面に垂直な方向から見て、複数のリング120のそれぞれは、活性領域100Aを囲むリング形状を有しており、複数のリング120全体が入れ子構造を有している。つまり、内側のリング120を、より外側に位置するリング120が囲んでいる。
The
また、炭化珪素基板101の表面に垂直な方向から見て、それぞれのリングは四隅が円弧状に丸まった四角形の形状を有している。リングの四隅が円弧状に丸まっていることにより、四隅に電界が集中することが防止される。例えば、リング120は、深さ方向において、活性領域100Aの第1ボディ領域103及び第2ボディ領域115と同一の不純物濃度プロファイルを有してもよい。
Further, when viewed from a direction perpendicular to the surface of the
図1Cは、炭化珪素基板101の主面から見た上部ソース電極112および上部ゲート電極114の平面図である。点線d1は内周上部ソース電極112Fと、外周上部ソース電極112Hとの境界の位置を示す。上部ソース電極112のうち、点線d1で示す領域内に位置する部分が、内周上部ソース電極112Fであり、点線d1で示す領域の外側に位置する部分が、外周上部ソース電極112Hである。内周上部ソース電極112Fと外周上部ソース電極112Hとはつながっており、互いに電気的に接続されている。図1Cに示すように、上部ゲート電極114の外側には、外周上部ソース電極112Hb、112Hcが位置し、内周上部ソース電極112Fと、外周上部ソース電極112Hとの間に上部ゲート電極114が位置している。本実施の形態では外周上部ソース電極112Hbと外周上部ソース電極112Hcとは外周上部ソース電極112Hを構成している。
FIG. 1C is a plan view of the
炭化珪素半導体装置201は、内部の構造を外部の環境から保護するため、第1保護膜125および第2保護膜126を備える。図1Dは、炭化珪素基板101の主面から見た第2保護膜126の平面図である。図1Dにおいて、第1保護膜125の輪郭を太い点線で示している。図1A、図1D、図2Aおよび図2Bに示すように、第1保護膜125は、活性領域100Aおよび終端領域100Eにおいて、パッド領域112Pおよび114Pを除いて、内周上部ソース電極112Fの全体および上部ゲート電極114全体と、少なくとも外周上部ソース電極112Hの内側面112Hi全体を覆っている。外周上部ソース電極112Hが複数ある場合には、第1保護膜125は、内周上部ソース電極112Fの全体および上部ゲート電極114全体と、最も外側に位置する外周上部ソース電極112Hの内側面112Hi全体を覆っている。ここでパッド領域とは内周上部ソース電極や上部ゲート電極のうちパッケージの端子に接続するために、ワイヤーやリボンなどを接続する領域であり、保護膜を開口している領域である。本実施形態では、第1保護膜125は、外周上部ソース電極112Hの内側面112Hiおよび外側面112Hjを覆っている。つまり、第1保護膜125は、外周上部ソース電極112Hを覆っている。この場合、第1保護膜125は、少なくとも最も外側のリング120を覆っていないほうが好ましい。つまり、第1保護膜125の外側面125jは、第2ボディ領域115内であって、複数の外周上部ソース電極112Hのうち、最も外側に位置する外周上部ソース電極112Hとリング120との間に位置している。つまり、第1保護膜125は、本実施形態では、最も外側のリング120の上方を覆っていない。
The silicon
第2保護膜126は、活性領域100Aおよび終端領域100Eにおいて、第1保護膜125と、リング120の少なくとも一部の上方とを連続的に覆っている。好ましくは、第2保護膜126は、スクライブライン領域100Sを除き、炭化珪素基板101の主面上を覆っている。第1保護膜125は、パッド領域112Pおよび114Pには位置していないため、第2保護膜126は、パッド領域112Pおよび114Pにおける第1保護膜125の内側面125iを覆って、パッド領域112Pおよび114Pを露出させている。本実施形態では、内周上部ソース電極112F、上部ゲート電極114および外周上部ソース電極112Hは、第2保護膜126とは直接接していない。
The second
第1保護膜125は、緻密な無機材料によって構成されていることが好ましい。具体的には、第1保護膜125は、窒化珪素からなる。窒化珪素膜は緻密であり、水分に対するバリア性に優れる。特に、プラズマCVD法によって形成した窒化珪素膜を第1保護膜として好適に用いることができる。第1保護膜125の厚さは例えば、0.2μm〜2μmである。
The first
一方、第2保護膜126は、有機材料によって構成されていることが好ましい。例えば、第2保護膜126は、ポリイミド系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、アクリル系樹脂等によって構成されている。第2保護膜126の厚さは例えば、3μm〜20μmである。
On the other hand, the second
第1保護膜125は、例えば、上部ソース電極112および上部ゲート電極114を形成した後、プラズマCVD法によって窒化珪素膜を形成し、パッド領域112Pおよび114Pが露出するように、窒化珪素膜をパターニングすることによって形成することができる。また、第2保護膜126は、例えば、第1保護膜125の形成後、複数の炭化珪素半導体装置201が形成されたウエハ上に上述した有機材料を塗布したり、スピンコートしたりすることによって有機材料の膜を形成し、パッド領域112Pおよび114Pとスクライブライン領域100Sが露出するように、有機材料の膜をパターニングすることによって形成することができる。あるいは、スクライブライン領域100S上の第2保護膜126はダイシングブレード等によって除去してもよい。
For the first
炭化珪素半導体装置201は、各構成要素の説明に合わせて説明した半導体装置の製造における要素技術を用いて、一般的な半導体装置の製造と同様の手順に従い、製造することができる。
The silicon
上述した構造を備える炭化珪素半導体装置201において、第1保護膜125は、活性領域100Aを囲む終端領域100Eに位置する外周上部ソース電極112Hの内側面112Hiを覆うように、パッド領域112Pおよび114Pを除いて、内周上部ソース電極112Fおよび上部ゲート電極114を覆っている。
In the silicon
また、外周上部ソース電極112Hは、層間絶縁膜111の上から層間絶縁膜111を貫通し、第1炭化珪素半導体層102内の第2コンタクト領域116に位置するベース電極119と接続されている。つまり、外周上部ソース電極112Hは、層間絶縁膜111の上面から、第1炭化珪素半導体層102にまで達する連続した単一構造体である。一般に半導体装置は、薄膜構造を積層することによって構成されるため、薄膜層間に外部から水等が侵入しやすい。この点で、外周上部ソース電極112Hは、炭化珪素基板101の主面に垂直な方向において、第1炭化珪素半導体層102から連続して層間絶縁膜111の上面まで連続しており、かつ、活性領域100Aを連続して囲んでいるため、活性領域100Aを側方から封止する。
Further, the outer peripheral
したがって、外周上部ソース電極112Hよりも内側の活性領域100A内の複数のユニットセル100u、内周上部ソース電極112Fおよび上部ゲート電極114は、外周上部ソース電極112Hおよび第1保護膜125の組み合わせによって効果的に封止される。第2ボディ領域の外周に位置するベース電極および、それにつながる層間絶縁膜の開口、それを埋め込んでなる外周上部ソース電極112Hbまたは112Hcはひとつでも構わないが、複数個ある方がより効果的である。本実施形態の外周上部ソース電極112Hは、複数個所でベース電極119(119b、119c)を介して第1炭化珪素半導体層102と接続されているため、封止構造が多重化されており、高い封止効果を得ることができる。すなわち、第1保護膜125を構成する窒化珪素および電極を構成する金属は、水分に対するバリア性に優れるので、上述した領域に第1保護膜125を設けることによって、炭化珪素半導体装置201に水分が侵入するのを効果的に抑制することができる。
Therefore, the plurality of
一方、第2保護膜126は、第1保護膜125を覆い、スクライブライン領域100Sとパッド領域112Pおよび114Pを除く炭化珪素半導体装置201の主面側全体に設けられる。第2保護膜126は有機材料によって構成されるため、水分に対するバリア性は窒化珪素に比べて低い。しかし、有機材料の硬度は、窒化珪素に比べて小さく、応力が外部から加えられても割れたり、亀裂が生じたりしにくく、また、浮き上がりや剥離が生じにくい。
On the other hand, the second
このため、炭化珪素半導体装置201をパッケージに収納する際、モールド樹脂の硬化によって特にFLR領域100Fに応力が生じても、FLR領域100Fにおいて、第2保護膜126に亀裂あるいは浮き上がりなどが生じることが抑制される。後述するように、FLR領域100Fにおいて、第1保護膜125および第2保護膜126からなる2層構造が設けられる場合でも、第1保護膜125には亀裂および浮き上がりが生じる。
Therefore, when the silicon
FLR領域100Fの表面は第1炭化珪素半導体層102からの電界が漏れ出ている。亀裂や浮き上がりが生じた領域は大気で満たされるが、大気の絶縁破壊電界は第1保護膜125、第2保護膜126のそれに比べ低く、亀裂や浮き上がりが生じた領域において第1炭化珪素半導体層102からの漏れ電界によってリーク電流が流れやすい。また亀裂や浮き上がりが生じた領域に侵入した水分もリーク電流の原因となり得る。これに対して炭化珪素半導体装置201によれば、FLR領域100Fに第1保護膜125は位置していないため、第1保護膜125に生じる亀裂等による信頼性の低下を抑制することができる。
The electric field from the first silicon
このように本実施形態の炭化珪素半導体装置201は、単に、第1保護膜125および第2保護膜126を備えているというだけではなく、上述したように、終端領域100Eにおける外周上部ソース電極112H、および、外周上部ソース電極112Hと第1保護膜125および第2保護膜126との適切な空間配置によって、高い気密構造を実現している。
As described above, the silicon
これに対し、特許文献2に開示された半導体装置は、無機保護膜および有機保護膜の2層構造が半導体装置全体を覆う構造、または、無機保護膜が、ゲート金属配線およびソース電極パッドのみを覆い、有機保護膜が半導体装置全体を覆う構造を備えており、終端構造における層間絶縁膜を貫通する構造と無機保護膜との組み合わせを備えていない。つまり、特許文献2は、ゲート金属配線およびソース電極パッドを個別に無機保護膜で覆うことを開示するのみであり、無機保護膜を用いた半導体装置全体を気密的に保護する構造を開示も示唆もしていない。
On the other hand, the semiconductor device disclosed in
また、炭化珪素半導体装置201によれば、高速スイッチング動作時に空乏層に生じる充放電電流を上部ソース電極に流すことができ、これによって、第2ボディ領域115の電位の上昇およびこれに起因するゲート絶縁膜107の破壊を抑制できる。以下、この特徴を説明する。
Further, according to the silicon
通常、インバータなどの回路において炭化珪素半導体装置に直列に負荷が接続され、炭化珪素半導体装置のゲートがオンとなり負荷に電流が流れているときは負荷の両端に電圧が発生する。このため、電源電圧Vccは炭化珪素半導体装置と負荷とに分配される。炭化珪素半導体装置のゲートがオフとなると、電流が流れないため、負荷には電圧が発生せず、電源電圧Vccの全体が炭化珪素半導体装置に印加される。すなわち炭化珪素半導体装置のドレインにVccが印加された状態となる。このとき、炭化珪素半導体装置の活性領域内の各ユニットセルにおけるボディ領域と第1炭化珪素半導体層(ドリフト領域)とからなるPN接合、および、終端領域におけるボディ領域と第1炭化珪素半導体層とからなるPN接合は逆バイアスされた状態となり、ボディ領域および第1炭化珪素半導体層の両側に空乏層が広がる。空乏層が広がるために、ボディ領域(p型半導体領域)においては、正孔が外部へ流れ、負の空間電荷層が形成される。第1炭化珪素半導体層(n型半導体領域)であれば電子が外部へ流れ、正の空間電荷層が形成される。従って炭化珪素半導体装置がオンからオフになるときには空乏層をキャパシタとする充電電流が流れ、逆にオフからオンになるときは空乏層に充電された電荷が、放電電流として逆方向に流れる。 Normally, in a circuit such as an inverter, a load is connected in series with the silicon carbide semiconductor device, and when the gate of the silicon carbide semiconductor device is turned on and a current is flowing through the load, a voltage is generated across the load. Therefore, the power supply voltage Vcc is distributed between the silicon carbide semiconductor device and the load. When the gate of the silicon carbide semiconductor device is turned off, no current flows, so no voltage is generated in the load, and the entire power supply voltage Vcc is applied to the silicon carbide semiconductor device. That is, Vcc is applied to the drain of the silicon carbide semiconductor device. At this time, the PN junction consisting of the body region and the first silicon carbide semiconductor layer (drift region) in each unit cell in the active region of the silicon carbide semiconductor device, and the body region and the first silicon carbide semiconductor layer in the terminal region The PN junction composed of the above is in a reverse biased state, and the depletion layer spreads on both sides of the body region and the first silicon carbide semiconductor layer. Since the depletion layer spreads, holes flow to the outside in the body region (p-type semiconductor region), and a negative space charge layer is formed. In the case of the first silicon carbide semiconductor layer (n-type semiconductor region), electrons flow to the outside and a positive space charge layer is formed. Therefore, when the silicon carbide semiconductor device is turned from on to off, a charging current using the depletion layer as a capacitor flows, and conversely, when the silicon carbide semiconductor device is turned from off to on, the charge charged in the depletion layer flows in the opposite direction as a discharge current.
空乏層の電荷qは次式で表される。ここでCは空乏層の容量、Vはpn接合に印加される逆バイアス電圧である。
q=CV
The charge q of the depletion layer is expressed by the following equation. Here, C is the capacitance of the depletion layer, and V is the reverse bias voltage applied to the pn junction.
q = CV
この両辺を微分すれば充放電電流Iが求まる。
I=dq/dt=C・dV/dt
The charge / discharge current I can be obtained by differentiating both sides.
I = dq / dt = C · dV / dt
したがって、dV/dtが大きい、すなわちスイッチング速度が大きくなればなるほど充放電電流は大きくなる。逆に言えば、充放電電流が大きくないとMOSFETの高速スイッチングを実現できない。 Therefore, the larger the dV / dt, that is, the higher the switching speed, the larger the charge / discharge current. Conversely, high-speed switching of MOSFETs cannot be realized unless the charge / discharge current is large.
上述したように、炭化珪素半導体装置には、活性領域のpn接合および終端領域におけるpn接合が存在する。図4Aは、炭化珪素半導体装置がオンからオフとなる場合における、ボディ領域を流れる充電電流の経路を示している。炭化珪素半導体層に不純物の注入や拡散によって形成されたボディ領域の抵抗は一般に高いため、充電電流が流れると、ボディ領域内で電流と電流経路の抵抗(電極のコンタクト抵抗+ボディ領域の抵抗)の積で決まる電位上昇が発生する。ボディ領域内における電流経路が長くなると電流経路の抵抗も大きくなるため、ボディ領域が大きくなるほど、発生する電位が大きくなる。その結果、ボディ領域とゲート電極とに挟まれるゲート絶縁膜に過剰な電圧がかかり、ゲート絶縁膜が破壊することがある。 As described above, the silicon carbide semiconductor device has a pn junction in the active region and a pn junction in the terminal region. FIG. 4A shows the path of the charging current flowing through the body region when the silicon carbide semiconductor device is turned from on to off. Since the resistance of the body region formed by injecting or diffusing impurities into the silicon carbide semiconductor layer is generally high, when a charging current flows, the resistance of the current and the current path in the body region (electrode contact resistance + resistance of the body region). A potential rise that is determined by the product of As the current path in the body region becomes longer, the resistance of the current path also increases, so that the larger the body region, the larger the potential generated. As a result, an excessive voltage is applied to the gate insulating film sandwiched between the body region and the gate electrode, and the gate insulating film may be destroyed.
通常活性領域のユニットセルの大きさは、5μm〜10μm程度であり、ボディ領域も小さい。このため、空乏層容量が小さく充電電流も小さい。また、電流経路が短く、抵抗も小さいため、上述した炭化珪素半導体装置のオン/オフに伴う充電電流の発生およびボディ領域の電位上昇は問題とならないことが多い。これに対し、終端領域に位置するボディ領域は通常数十μm程度の大きさを有するため、充電電流が大きく、電流経路も長い。その結果、ボディ領域内で電位上昇が大きく、ゲート絶縁膜が破壊する可能性が活性領域よりも高い。特に炭化珪素半導体装置が高速スイッチングするときにゲート絶縁膜が破壊しやすい。 Normally, the size of the unit cell in the active region is about 5 μm to 10 μm, and the body region is also small. Therefore, the capacity of the depletion layer is small and the charging current is also small. Further, since the current path is short and the resistance is small, the generation of charging current and the increase in potential in the body region due to the on / off of the silicon carbide semiconductor device described above are often not a problem. On the other hand, since the body region located in the terminal region usually has a size of about several tens of μm, the charging current is large and the current path is long. As a result, the potential rise is large in the body region, and the possibility that the gate insulating film is broken is higher than in the active region. In particular, the gate insulating film is liable to break when the silicon carbide semiconductor device switches at high speed.
図4Aに示す構造では、終端領域100Eにおいて、第2ボディ領域115内の第2コンタクト領域116には、活性領域100Aに近接した島状のベース電極119aしか存在しない。このため、ベース電極119aから最も離れた第2ボディ領域115の外側の位置p1が最も高い電位となる。位置p1からベース電極119aまでのpn接合充電電流経路は、第2ボディ領域115の環形状の全幅Lとなるので、高抵抗であり、高い電圧となる。
In the structure shown in FIG. 4A, in the
これに対し、図4Bに示すように、本実施形態の炭化珪素半導体装置201によれば、終端構造100eは、活性領域100Aを囲む環形状の第2ボディ領域115において、活性領域100Aに近接する内周側に位置する第1ベース電極119aと、外周側に位置する第2ベース電極119b、119cとを有している。第1ベース電極119aは内周上部ソース電極112Aに接続され、第2ベース電極119b、119cは、外周上部ソース電極112Hと接続されている。このため、第2ボディ領域115の環形状を横切る断面において、充電電流によって最も電位が高くなるのはベース電極119aおよびベース電極119b、119cのほぼ中間にある位置p2となる。位置p2において、第2ボディ領域115と第1炭化珪素半導体層102とのpn接合によって発生する充電電流は、約L/2の長さの経路を経て第1ベース電極119aまたは第2ベース電極119b、119cから内周上部ソース電極112Aまたは外周上部ソース電極112Hに流れる。つまり、第2ボディ領域115において、接地電位となる第1ベース電極119aまたは第2ベース電極119b、119cから最も離れた位置p2であっても、第1ベース電極119aまたは第2ベース電極119b、119cからの距離はL/2である。すなわち図4Aの位置p1に比べ、図4Bの、炭化珪素半導体装置201における位置p2の電位上昇を半分程度に抑制することができる。よって、炭化珪素半導体装置201を高速で動作させてもゲート絶縁膜が破壊しにくいという効果が得られる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, according to the silicon
(第2の実施形態)
本開示の炭化珪素半導体装置の第2の実施形態を説明する。図5Aおよび図5Bは、本実施形態の炭化珪素半導体装置202の図1Aに示すA−A’線およびB−B’線に対応する断面図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure will be described. 5A and 5B are cross-sectional views corresponding to the lines AA'and BB'shown in FIG. 1A of the silicon
炭化珪素半導体装置202は、1または複数の外周上部ソース電極112Hのうち、最も外側に位置する外周上部ソース電極112Hcの外側面112Hjが第1保護膜125で覆われていない点で、第1の実施形態の炭化珪素半導体装置201と異なる。
The silicon
上部ゲート電極114よりも外側に位置する外周上部ソース電極112Hb、112Hcのうち、内側面112Hiは、全体的に第1保護膜125で覆われているが、最も外側に位置する外周上部ソース電極112Hcの外側面112Hjは、第1保護膜125で覆われていない。第1保護膜125の外側面125jは、最も外側に位置する外周上部ソース電極112H上に位置している。このため、外側面112Hjは第2保護膜126と接触している。
Of the outer peripheral upper source electrodes 112Hb and 112Hc located outside the
後述するように、外周上部ソース電極112Hのうち最も外側に位置する外周上部ソース電極112Hcの外側面112Hj近傍にも、上述したモールド樹脂の硬化によって大きな応力が加わることが分かった。また第1保護膜125の内部応力も、エッジ部分で高くなりやすい。特に外周上部ソース電極112Hcの外上側のエッジで亀裂が入りやすいことが分かった。炭化珪素半導体装置202によれば、外周上部ソース電極112Hcの外側面112Hj近傍は第1保護膜125で覆われず、第2保護膜126のみで覆うことにより、モールド樹脂の硬化時に生じる応力よって、第1保護膜125に亀裂等が生じるのを抑制しつつ、応力に強い第2保護膜126で保護することができる。
As will be described later, it has been found that a large stress is also applied to the vicinity of the outer surface 112Hj of the outer peripheral upper source electrode 112Hc located on the outermost side of the outer peripheral
第1の実施形態と同様、第1保護膜125は、活性領域100Aを囲む終端領域100Eに位置する外周上部ソース電極112Hの内側面112Hi全体を覆うように、パッド領域112Pおよび114Pを除いて、内周上部ソース電極112Fおよび上部ゲート電極114を覆っている。このため、第1の実施形態で説明したように、内周上部ソース電極112F、第1保護膜125と外周上部ソース電極112Hにより活性領域100Aを効果的に封止することができる。よって、炭化珪素半導体装置202によれば、第1の実施形態の炭化珪素半導体装置201の効果に加え、第1保護膜125に亀裂等が生じるのをより効果的に抑制し、信頼性を高めることができる。
Similar to the first embodiment, the first
(第3の実施形態)
本開示の炭化珪素半導体装置の第3の実施形態を説明する。図6Aおよび図6Bは、本実施形態の炭化珪素半導体装置203の図1Aに示すA−A’線およびB−B’線に対応する断面図である。
(Third Embodiment)
A third embodiment of the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure will be described. 6A and 6B are cross-sectional views corresponding to the lines AA'and BB'shown in FIG. 1A of the silicon
炭化珪素半導体装置203は、第1保護膜125が、複数のリング120のうち、少なくとも最も内側に位置するリング120の上方を覆っている点で、第1の実施形態の炭化珪素半導体装置201および第2の実施形態の半導体装置202と異なる。
In the silicon
図6Aおよび図6Bに示すように、第1保護膜125は、活性領域100Aおよび終端領域100Eにおいて、パッド領域112P、114Pを除いて、内周上部ソース電極112Fおよび上部ゲート電極114と、複数のリング120のうち、少なくとも最も内側に位置するリング120の上方を覆っている。つまり、第1保護膜125は、パッド領域112P、114Pを除く活性領域100A全体から、少なくとも最も内側に位置するリング120の上方にまで外周側に張り出している。本実施形態では、第1保護膜125は、最も内側に位置するリング120を含む複数のリング120を覆っている。第1保護膜125は、少なくとも最も外側に位置するリング120を覆っていない。つまり、第1保護膜125は、複数のリングのうち、内側の一部のリング120のみを覆っている。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the first
本願の発明者がFLR領域100Fにおける電界をシミュレーションしたところ、FLR領域100Fの各リングの外周端部で電界が高くなっていた。特に最も内側のリングの外周端部の電界が最も高く、内側から2本目のリングからFLR領域100Fの中心あたりに位置するリングまで電界はこれより低いがほぼ同程度であった。FLR領域の中心あたりから外側に位置するリングでは、内側に比べ電界が低く、外側に向かって段々と電界は低下することがわかった。
When the inventor of the present application simulated the electric field in the
炭化珪素半導体装置に逆バイアスが印加される場合、複数のリングのうち、最も内側に位置するリングには、構造上、最も大きな電界が印加される。一方、第2保護膜は樹脂等の有機材料によって構成されているため、有機材料の種類によっては、第2保護膜126は可動イオンを含むことがある。また第1保護膜125を構成する窒化珪素に比べ、第2保護膜126を構成する有機樹脂は緻密でないため、外部から可動イオンや水分が侵入しやすい。この場合、第2保護膜126に侵入した可動イオンは、炭化珪素半導体装置が高温で保管され、かつ、逆バイアスが印加された状態で、半導体層からの漏れ電界に従って移動し、最も内側のリング近傍に移動し、FLR領域100Fの空乏層の形状を変化させ、逆バイアス印加時のドレインリーク電流を増加させる。この可動イオンの侵入や移動は高温でより起きやすい。その結果、特に、炭化珪素半導体装置を高温逆バイアス下で保管した場合、ドレインリーク電流が増加しやすくなる。すなわち上記の原因によるドレインリーク電流増化は温度85℃湿度85%の高温高湿バイアス試験(THB)よりも、温度150〜200℃、大気中で行われる高温逆バイアス試験(HTRB)で生じやすい。
When a reverse bias is applied to the silicon carbide semiconductor device, the largest electric field is structurally applied to the innermost ring among the plurality of rings. On the other hand, since the second protective film is made of an organic material such as a resin, the second
一方、窒化珪素は緻密な材料であるため、可動イオンが第1保護膜125に侵入し、第1保護膜125内を移動することは起こりにくい。
On the other hand, since silicon nitride is a dense material, it is unlikely that movable ions invade the first
したがって、本実施形態の炭化珪素半導体装置203は、このような場合において、第1保護膜125が少なくとも最も内側のリング120の上方を覆うことによって、可動イオンが、最も内側のリング120近傍に蓄積されるのを抑制し、上述した逆バイアス印加時のリーク経路が生じるのを抑制することができる。
Therefore, in the silicon
ただし、最も内側のリング120のみを第1保護膜125で覆う場合、第1保護膜125で覆われない内側から2番目のリング120近傍へ可動イオンが移動し、逆バイアス印加時のリーク経路を形成する可能性がある。このため、第1保護膜125は、最も内側のリング120を含む複数のリング120を覆っていることが好ましい。図6Aおよび図6Bに示す形態では、第1保護膜125は3つのリング120を覆っている。例えば、実際に製造される炭化珪素半導体装置において、終端構造100eが、25本のリングを備えている場合、第1保護膜125は10本程度のリングを覆っていてもよい。この構造によって、より確実に可動イオンによる影響を抑制し、高温逆バイアス下での保管における炭化珪素半導体装置の信頼性を高めることができる。
However, when only the
また、最も内側のリング120のみを第1保護膜125で覆う場合、炭化珪素半導体装置の製造時における第1保護膜125の外側面125jの位置のマージンが少ない。その結果、位置合わせずれが生じて、第1保護膜125が最も内側のリング120を覆わない炭化珪素半導体装置が製造されると信頼性が大きく低下し得る。これに対し、複数のリング120を覆う第1保護膜125を炭化珪素半導体装置が備えていれば、仮に、位置合わせずれによって、第1保護膜125の外側面125jの位置がずれてしまっても、最も内側のリング120は確実に第1保護膜125で覆うことが可能となる。したがって、炭化珪素半導体装置の製造歩留りの向上にも寄与し得る。
Further, when only the
第2の実施形態において説明したように、応力の観点では、外周上部ソース電極112Hcの外側面112Hj近傍を第1保護膜125で覆わないほうが好ましい場合もある。したがって、炭化珪素半導体装置に求められる特性に応じて、第1保護膜125の外側面125jの位置を決定すればよい。
As described in the second embodiment, from the viewpoint of stress, it may be preferable not to cover the vicinity of the outer surface 112Hj of the outer peripheral upper source electrode 112Hc with the first
例えば、リング120の伸びる方向に垂直な断面において、複数のリング120が設けられている幅Wは、60μm以上120μm以下であり、この断面において、最も内側に位置するリング120の外側面120jから第1保護膜125の外側面125jまでの距離Dは、18μm以上50μm以下である。ここで、幅Wは、最も内側のリング120の内側面と最も外側のリング120の外側面の間隔で定義される。
For example, in the cross section perpendicular to the extending direction of the
(第4の実施形態)
本開示の炭化珪素半導体装置の第4の実施形態を説明する。図7Aは、本実施形態の炭化珪素半導体装置204の図1Aに示すA−A’線に対応する断面図である。
(Fourth Embodiment)
A fourth embodiment of the silicon carbide semiconductor device of the present disclosure will be described. FIG. 7A is a cross-sectional view of the silicon
炭化珪素半導体装置204は、第1炭化珪素半導体層102の表面において、FLR領域100Fの外側に位置し、かつ、FLR領域100Fを囲むように選択的に形成された高濃度の第1導電型の第3コンタクト領域130と、第3コンタクト領域130と接続するベース電極(第3ベース電極)131と、ベース電極131、に接続しており、かつリングを囲むシール電極132とをさらに備えている点で、第1の実施形態の炭化珪素半導体装置201と異なる。第2保護膜126は、シール電極132の全体を覆っている。第3コンタクト領域130、ベース電極131およびシール電極132は、例えば、活性領域100Aのソース領域104、ソース電極109および内周上部ソース電極112Fとそれぞれ同時に形成することができる。
The silicon
第3コンタクト領域130は第1炭化珪素半導体層102とのオーミック接触を得るためでなく、いわゆるチャネルストップ領域として機能するように設けている。ダイシングによって形成されたチップ端部の側壁140には機械的な欠陥が生じており、リング120から第1炭化珪素半導体層102中をチップ外側に広がる空乏層がチップ端部の側壁140まで到達すると、ドレインリークの原因となる。第3コンタクト領域130の第1導電型不純物の濃度を、第1炭化珪素半導体層102のそれよりも1桁以上高くすることによって、第3のコンタクト領域130内では空乏層が広がりにくくすることができる。よってチップ端部の側壁140に空乏層が到達し、ドレインリークが発生するのを抑制することができる。
The
また第2保護膜126の硬化時に生じ得る収縮応力あるいは熱膨張による膨張応力が発生しても、シール電極132の内側面132iまたは外側面132jと第2保護膜126とが係合することによって、第2保護膜126の収縮および膨張が抑制され、第2保護膜126が層間絶縁膜111から浮き上がることを抑制することができる。
Further, even if a contraction stress or an expansion stress due to thermal expansion that may occur when the second
第3コンタクト領域130、ベース電極131およびシール電極132は、第2の実施形態の炭化珪素半導体装置202に設けてもよい。図7Bに示すように、炭化珪素半導体装置205は、上述した構造を有する第3コンタクト領域130、ベース電極131およびシール電極132をさらに備えている点で、第2の実施形態の炭化珪素半導体装置202と異なる。炭化珪素半導体装置205によれば、上述した効果を同様に得ることができる。また、図示しないが、第3の実施形態の炭化珪素半導体装置203に第3コンタクト領域130、ベース電極131およびシール電極132を設けてもよい。
The
(実施例1)
上記実施形態で説明した構造を有する炭化珪素半導体装置を作製した。試料1および試料2として図2A、図2Bおよび図5A、図5Bに示す断面構造の炭化珪素半導体装置を作製した。また、試料3および試料4として図6A、図6Bに示す断面構造を有し、D=18μmおよびD=50μmである炭化珪素半導体装置を作製した。比較のため、第2保護膜126は備えず、第1保護膜125で終端領域を覆った炭化珪素半導体装置、および、第1保護膜125および第2保護膜126の両方が終端領域(FLR領域100Fを含む)を覆った炭化珪素半導体装置を作製し、試料5、6とした。試料5、6の炭化珪素半導体装置では、FLR領域100Fの外側にさらに外周上部ソース電極が設けられている。第1保護膜125にはプラズマCVDによって形成した窒化珪素膜を用い、第2保護膜にはポリイミド樹脂膜を用いた。
(Example 1)
A silicon carbide semiconductor device having the structure described in the above embodiment was manufactured. The silicon carbide semiconductor device having the cross-sectional structure shown in FIGS. 2A, 2B, 5A, and 5B was produced as
表1に試料1から6の構造をまとめて示す。
Table 1 summarizes the structures of
作製した試料を用いて、高温高湿バイアス(THB)試験を行った。作製した試料を複数用意し、85℃の温度、および85%の相対湿度で、ソースードレイン間に1000Vの電圧を印加し、保管した。保管後、定期的に、1200Vの逆バイアスでドレインリーク電流を測定した。リーク電流が、1×10-6Aを超えた場合、炭化珪素半導体装置が故障したと判定した。 A high temperature and high humidity bias (THB) test was performed using the prepared sample. A plurality of prepared samples were prepared, and a voltage of 1000 V was applied between the source and drain at a temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 85%, and the samples were stored. After storage, the drain leak current was measured periodically with a reverse bias of 1200 V. When the leak current exceeds 1 × 10 -6 A, it is determined that the silicon carbide semiconductor device has failed.
図8A、図8B、図8Cおよび図8Dに試料1、2、3、4の試験結果を示す。図9Aおよび図9Bに試料5、6の結果を示す。また、表1に試験結果をまとめて示す。
8A, 8B, 8C and 8D show the test results of
表1、図8Aおよび図8Bに示すように、試料1、2の炭化珪素半導体装置では、試験開始後2000時間を経過しても、リーク電流は基準(1×10-6A)以下であり、故障は見られなかった。ただし試料1の炭化珪素半導体装置では、試験開始後100時間程度で、一端リーク電流が増大するが、その後、リーク電流は低下し、良好な特性を維持し続けることが分かった。また、試料2の炭化珪素半導体装置では、時間の経過によらず、リーク電流はほとんど変化しなかった。
As shown in Table 1, FIG. 8A and FIG. 8B, in the silicon carbide semiconductor devices of
表1、図8Cおよび図8Dに示すように、試料3、4の炭化珪素半導体装置でも、試験開始後2000時間を経過しても、リーク電流は基準(1×10-6A)以下であり、故障は見られなかった。 As shown in Tables 1, 8C and 8D, even with the silicon carbide semiconductor devices of Samples 3 and 4, the leakage current is below the standard (1 × 10 -6 A) even after 2000 hours have passed since the start of the test. , No failure was seen.
一方、表1、図9Aおよび図9Bに示すように、試料5、6の炭化珪素半導体装置は、2000時間の経過前に故障と判定された。試料5の炭化珪素半導体装置はおおむね1000時間程度で故障し、試料6の炭化珪素半導体装置はおおむね100〜500時間程度で故障した。 On the other hand, as shown in Tables 1, 9A and 9B, the silicon carbide semiconductor devices of Samples 5 and 6 were determined to be out of order before the lapse of 2000 hours. The silicon carbide semiconductor device of Sample 5 failed in about 1000 hours, and the silicon carbide semiconductor device of Sample 6 failed in about 100 to 500 hours.
試験終了後、パッケージを開封し、各炭化珪素半導体装置を光学顕微鏡で観察した。図10A、図10Bに、試験後の試料5の炭化珪素半導体装置の観察結果を示す。図11A、図11Bに、試験後の試料6の炭化珪素半導体装置の観察結果を示す。図10A、図11Aは、炭化珪素半導体装置の角近傍のFLR領域を示し、図10B、図11Bは、炭化珪素半導体装置の1辺の中央近傍におけるFLR領域を示している。 After the test was completed, the package was opened and each silicon carbide semiconductor device was observed with an optical microscope. 10A and 10B show the observation results of the silicon carbide semiconductor device of Sample 5 after the test. 11A and 11B show the observation results of the silicon carbide semiconductor device of Sample 6 after the test. 10A and 11A show the FLR region near the corner of the silicon carbide semiconductor device, and FIGS. 10B and 11B show the FLR region near the center of one side of the silicon carbide semiconductor device.
試料1、2、3、4の炭化珪素半導体装置では、FLR領域の角および中央近傍において、亀裂および保護膜の剥がれ等、特に目立つ変化は確認できなかった。これに対し、試料5、6の炭化珪素半導体装置では、FLR領域の角において、保護膜に亀裂が発生しており、FLR領域の中央近傍において、保護膜の浮きが発生していることが分かった。
In the silicon carbide semiconductor devices of
これらの結果から、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、高温高湿バイアス環境に対して信頼性を有することが分かった。また、第1保護膜125が外周上部ソース電極112Hの外側面112Hjを覆わないことによって、より信頼性を高められることが分かった。また、FLR領域に窒化珪素膜など硬度の高い保護膜を設けると信頼性が低下しやすいことが分かった。
From these results, it was found that the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment has reliability in a high temperature and high humidity bias environment. Further, it was found that the reliability can be further improved by not covering the outer surface 112Hj of the outer peripheral
(実施例2)
上述したように可動イオンによるドレインリーク電流の増加は高温高湿バイアス試験よりも、より高い温度で行う高温逆バイアス試験の方が起こりやすいため、試料1、2、3、4、5をそれぞれ複数用意し、高温逆バイアス試験を行って、ドレインリーク電流の変動を調べた。各試料を175℃の温度で大気中、ソースードレイン間に1200Vの逆電圧を印加し、保管した(HTRB試験)。保管後、定期的に、1200Vの逆バイアスでドレインリーク電流(Idss)を測定した。
(Example 2)
As described above, the increase in drain leakage current due to moving ions is more likely to occur in the high temperature reverse bias test performed at a higher temperature than in the high temperature and high humidity bias test. It was prepared and a high temperature reverse bias test was performed to examine the fluctuation of the drain leak current. Each sample was stored at a temperature of 175 ° C. in the air with a reverse voltage of 1200 V applied between the source and drain (HTRB test). After storage, the drain leak current (Idss) was measured periodically with a reverse bias of 1200 V.
図12A、図12B、図12Cおよび図12Dに試料1、2、3、4の試験結果を示す。図13に、試料5の試験結果を示す。
12A, 12B, 12C and 12D show the test results of
図12Aおよび図12Bに示すように、試料1、2の炭化珪素半導体装置では、高温逆バイアス試験の初期段階で、試験開始前に比べてドレインリーク電流が増大するが、1桁オーダー程度の増加であり、その後継続してドレインリーク電流が増大する傾向はみられない。これは、高温逆バイアス試験の初期段階で、可動イオンが第2保護膜内で移動し、耐圧特性を少し低下させるものの、第2保護膜に含まれる可動イオンの量が少ないため、高温逆バイアス試験の初期段階で耐圧特性の低下はほぼ収束すると考えられる。
As shown in FIGS. 12A and 12B, in the silicon carbide semiconductor devices of
図12Cおよび図12Dに示すように、試料3、4の炭化珪素半導体装置では、ドレインリーク電流はほとんど変化しなかった。また、図13に示すように、試料5の炭化珪素半導体装置では、1つの試料を除き、ドレインリーク電流はほとんど変化しなかった。 As shown in FIGS. 12C and 12D, the drain leak current hardly changed in the silicon carbide semiconductor devices of Samples 3 and 4. Further, as shown in FIG. 13, in the silicon carbide semiconductor device of sample 5, the drain leak current hardly changed except for one sample.
これらの結果から、第3の実施形態の構造は、特に、高温逆バイアス試験において、優れた信頼性を示すことが分かった。 From these results, it was found that the structure of the third embodiment shows excellent reliability, especially in the high temperature reverse bias test.
以上の結果から、第1、第2および第3の実施の形態の構造は、いずれも、高温高湿バイアス試験および高温逆バイアス試験において優れた信頼性を示し、特に、第3の実施形態の構造は、第1、第2の形態に比べ、高温逆バイアス試験におけるドレインリーク増加がほとんどなく、信頼性に優れることが分かった。 From the above results, the structures of the first, second and third embodiments all show excellent reliability in the high temperature and high humidity bias test and the high temperature reverse bias test, and in particular, the third embodiment. It was found that the structure was excellent in reliability with almost no increase in drain leak in the high temperature reverse bias test as compared with the first and second forms.
本開示の炭化珪素半導体装置は、種々の用途の半導体装置およびそれを備えたインバータ回路等の種々の駆動装置に広く適用できる。例えば、車載用、産業機器用等の半導体装置に好適に用いることができる。 The silicon carbide semiconductor device of the present disclosure can be widely applied to semiconductor devices for various purposes and various driving devices such as an inverter circuit provided with the semiconductor device. For example, it can be suitably used for semiconductor devices such as those for automobiles and industrial equipment.
100 炭化珪素半導体装置
100A 活性領域
100E 終端領域
100F FLR領域
100S スクライブライン領域
100u ユニットセル
101 炭化珪素基板
102 第1炭化珪素半導体層
103 第1ボディ領域
104 ソース領域
105 第1コンタクト領域
106 第2炭化珪素半導体層
107 ゲート絶縁膜
108 ゲート電極
109 ソース電極
110 ドレイン電極
111 層間絶縁膜
111c、111d、111g 開口部
112 上部ソース電極
112F 内周上部ソース電極
112H、112Hb、112Hc 外周上部ソース電極
112Hi 内側面
112Hj 外側面
112P、114P パッド領域
113 配線電極
114 上部ゲート電極
115 第2ボディ領域
116 第2コンタクト領域
119、119a、119b、119c ベース電極
120 リング
125 第1保護膜
125i 内側面
125j 外側面
126 第2保護膜
130 第3コンタクト領域
131 ベース電極
132 シール電極
100 Silicon
Claims (11)
各ユニットセルは、少なくとも
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上の第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域と、
前記第1ボディ領域内に選択的に形成されたソース領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の上方に位置するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、
前記第1ボディ領域と接する第1コンタクト領域と、
前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続された内周上部ソース電極と、
を含み、
前記終端構造は、
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に位置する前記第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成され、前記活性領域を囲む環形状を有する第2導電型の第2ボディ領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の前記表面に位置し、前記第2ボディ領域を囲む少なくとも1つの第2導電型のリングと、
前記第2ボディ領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、
前記第2コンタクト領域の上方に位置する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上方に位置し、前記層間絶縁膜を貫通して前記第2コンタクト領域に電気的に接続され、前記活性領域を囲む1つまたは複数の外周上部ソース電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続され、前記活性領域の前記内周上部ソース電極と前記外周上部ソース電極との間に位置する上部ゲート電極と、
を含み、
窒化珪素からなり、前記活性領域および前記終端領域において、パッド領域を除いて、前記内周上部ソース電極および前記上部ゲート電極と、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、最も内側に位置する外周上部ソース電極の内側面を覆う第1保護膜と、
有機材料からなり、前記活性領域および前記終端領域において、前記第1保護膜と、前記少なくとも1つのリングの少なくとも一部の上方とを覆う第2保護膜と、
をさらに備え、
前記第1保護膜の外側面は、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、もっとも外側に位置する外周上部ソース電極と、前記少なくとも1つのリングとの間に位置している炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device including a first conductive type silicon carbide substrate including an active region and a terminal region surrounding the active region, a plurality of unit cells located in the active region, and a terminal structure located in the terminal region. And
Each unit cell has at least the silicon carbide substrate and
The first silicon carbide semiconductor layer on the silicon carbide substrate and
A second conductive type first body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer,
A source region selectively formed in the first body region and
The gate insulating film located above the first silicon carbide semiconductor layer and
The gate electrode located on the gate insulating film and
The first contact area in contact with the first body area and
An inner peripheral upper source electrode electrically connected to the first contact region and the source region,
Including
The terminal structure is
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer located on the silicon carbide substrate and
A second conductive type second body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and having a ring shape surrounding the active region,
A second conductive ring located on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and surrounding the second body region.
A second conductive type second contact region selectively formed on the surface of the second body region,
An interlayer insulating film located above the second contact region and
One or more outer peripheral upper source electrodes located above the interlayer insulating film, penetrating the interlayer insulating film and electrically connected to the second contact region, and surrounding the active region.
An upper gate electrode electrically connected to the gate electrode and located between the inner peripheral upper source electrode and the outer peripheral upper source electrode in the active region.
Including
It is composed of silicon nitride and is located on the innermost side of the inner peripheral upper source electrode and the upper gate electrode and the one or more outer peripheral upper source electrodes in the active region and the terminal region except for the pad region. A first protective film that covers the inner surface of the outer peripheral upper source electrode and
A second protective film made of an organic material and covering at least a part of the at least one ring in the active region and the terminal region.
With more
The outer surface of the first protective film is a silicon carbide semiconductor located between the outermost outer peripheral upper source electrode and at least one ring of the one or more outer peripheral upper source electrodes. Device.
各ユニットセルは、少なくとも
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上の第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域と、
前記第1ボディ領域内に選択的に形成されたソース領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の上方に位置するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、
前記第1ボディ領域と接する第1コンタクト領域と、
前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続された内周上部ソース電極と、
を含み、
前記終端構造は、
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に位置する前記第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成され、前記活性領域を囲む環形状を有する第2導電型の第2ボディ領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の前記表面に位置し、前記第2ボディ領域を囲む少なくとも1つの第2導電型のリングと、
前記第2ボディ領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、
前記第2コンタクト領域の上方に位置する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上方に位置し、前記層間絶縁膜を貫通して前記第2コンタクト領域に電気的に接続され、前記活性領域を囲む1つまたは複数の外周上部ソース電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続され、前記活性領域の前記内周上部ソース電極と前記外周上部ソース電極との間に位置する上部ゲート電極と、
を含み、
窒化珪素からなり、前記活性領域および前記終端領域において、パッド領域を除いて、前記内周上部ソース電極および前記上部ゲート電極と、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、最も内側に位置する外周上部ソース電極の内側面を覆う第1保護膜と、
有機材料からなり、前記活性領域および前記終端領域において、前記第1保護膜と、前記少なくとも1つのリングの少なくとも一部の上方とを覆う第2保護膜と、
をさらに備え、
前記第1保護膜の外側面は、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、もっとも外側に位置する外周上部ソース電極上に位置しており、
前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、もっとも外側に位置する外周上部ソース電極の外側面は、前記第2保護膜と接している、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device including a first conductive type silicon carbide substrate including an active region and a terminal region surrounding the active region, a plurality of unit cells located in the active region, and a terminal structure located in the terminal region. And
Each unit cell is at least
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer on the silicon carbide substrate and
A second conductive type first body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer,
A source region selectively formed in the first body region and
The gate insulating film located above the first silicon carbide semiconductor layer and
The gate electrode located on the gate insulating film and
The first contact area in contact with the first body area and
An inner peripheral upper source electrode electrically connected to the first contact region and the source region,
Including
The terminal structure is
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer located on the silicon carbide substrate and
A second conductive type second body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and having a ring shape surrounding the active region,
A second conductive ring located on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and surrounding the second body region.
A second conductive type second contact region selectively formed on the surface of the second body region,
An interlayer insulating film located above the second contact region and
One or more outer peripheral upper source electrodes located above the interlayer insulating film, penetrating the interlayer insulating film and electrically connected to the second contact region, and surrounding the active region.
An upper gate electrode electrically connected to the gate electrode and located between the inner peripheral upper source electrode and the outer peripheral upper source electrode in the active region.
Including
It is composed of silicon nitride and is located on the innermost side of the inner peripheral upper source electrode and the upper gate electrode and the one or more outer peripheral upper source electrodes in the active region and the terminal region except for the pad region. A first protective film that covers the inner surface of the outer peripheral upper source electrode and
A second protective film made of an organic material and covering at least a part of the at least one ring in the active region and the terminal region.
With more
The outer surface of the first protective film is located on the outermost outer peripheral upper source electrode located on the outermost side of the one or more outer peripheral upper source electrodes.
Among the one or more of the peripheral upper source electrode, the outermost surface of the outer peripheral upper source electrode located outside, that in contact with the second protective film, a silicon carbide semiconductor device.
各ユニットセルは、少なくとも
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上の第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域と、
前記第1ボディ領域内に選択的に形成されたソース領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の上方に位置するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、
前記第1ボディ領域と接する第1コンタクト領域と、
前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続された内周上部ソース電極と、
を含み、
前記終端構造は、
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に位置する前記第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成され、前記活性領域を囲む環形状を有する第2導電型の第2ボディ領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の前記表面に位置し、前記第2ボディ領域を囲む2以上の複数の第2導電型のリングと、
前記第2ボディ領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、
前記第2コンタクト領域の上方に位置する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上方に位置し、前記層間絶縁膜を貫通して前記第2コンタクト領域に電気的に接続され、前記活性領域を囲む1つまたは複数の外周上部ソース電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続され、前記活性領域の前記内周上部ソース電極と前記外周上部ソース電極との間に位置する上部ゲート電極と、
を含み、
窒化珪素からなり、前記活性領域および前記終端領域において、パッド領域を除いて、前記内周上部ソース電極および前記上部ゲート電極と、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、最も内側に位置する外周上部ソース電極の内側面を覆う第1保護膜と、
有機材料からなり、前記活性領域および前記終端領域において、前記第1保護膜と、前記2以上の複数のリングの少なくとも一部の上方とを覆う第2保護膜と、
をさらに備え、
前記第1保護膜は、前記2以上の複数のリングのうち、少なくとも最も内側に位置するリングの上方を覆ってかつ、前記複数のリングのうち、少なくとも最も外側に位置するリングの上方を覆っていない、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device including a first conductive type silicon carbide substrate including an active region and a terminal region surrounding the active region, a plurality of unit cells located in the active region, and a terminal structure located in the terminal region. And
Each unit cell is at least
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer on the silicon carbide substrate and
A second conductive type first body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer,
A source region selectively formed in the first body region and
The gate insulating film located above the first silicon carbide semiconductor layer and
The gate electrode located on the gate insulating film and
The first contact area in contact with the first body area and
An inner peripheral upper source electrode electrically connected to the first contact region and the source region,
Including
The terminal structure is
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer located on the silicon carbide substrate and
A second conductive type second body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and having a ring shape surrounding the active region,
Two or more second conductive type rings located on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and surrounding the second body region.
A second conductive type second contact region selectively formed on the surface of the second body region,
An interlayer insulating film located above the second contact region and
One or more outer peripheral upper source electrodes located above the interlayer insulating film, penetrating the interlayer insulating film and electrically connected to the second contact region, and surrounding the active region.
An upper gate electrode electrically connected to the gate electrode and located between the inner peripheral upper source electrode and the outer peripheral upper source electrode in the active region.
Including
It is composed of silicon nitride and is located on the innermost side of the inner peripheral upper source electrode and the upper gate electrode and the one or more outer peripheral upper source electrodes in the active region and the terminal region except for the pad region. A first protective film that covers the inner surface of the outer peripheral upper source electrode and
A second protective film made of an organic material and covering at least a part of the first protective film and at least a part of the two or more rings in the active region and the terminal region.
With more
The first protective film covers at least the innermost ring of the two or more rings, and covers at least the outermost ring of the plurality of rings. No , silicon carbide semiconductor device.
各ユニットセルは、少なくとも
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上の第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域と、
前記第1ボディ領域内に選択的に形成されたソース領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の上方に位置するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と、
前記第1ボディ領域と接する第1コンタクト領域と、
前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続された内周上部ソース電極と、
を含み、
前記終端構造は、
前記炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に位置する前記第1炭化珪素半導体層と、
前記第1炭化珪素半導体層の表面に選択的に形成され、前記活性領域を囲む環形状を有する第2導電型の第2ボディ領域と、
前記第1炭化珪素半導体層の前記表面に位置し、前記第2ボディ領域を囲む、3以上の複数の第2導電型のリングと、
前記第2ボディ領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、
前記第2コンタクト領域の上方に位置する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上方に位置し、前記層間絶縁膜を貫通して前記第2コンタクト領域に電気的に接続され、前記活性領域を囲む1つまたは複数の外周上部ソース電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続され、前記活性領域の前記内周上部ソース電極と前記外周上部ソース電極との間に位置する上部ゲート電極と、
を含み、
窒化珪素からなり、前記活性領域および前記終端領域において、パッド領域を除いて、前記内周上部ソース電極および前記上部ゲート電極と、前記1つまたは複数の外周上部ソース電極のうち、最も内側に位置する外周上部ソース電極の内側面を覆う第1保護膜と、
有機材料からなり、前記活性領域および前記終端領域において、前記第1保護膜と、前記複数のリングの少なくとも一部の上方とを覆う第2保護膜と、
をさらに備え、
前記第1保護膜は、前記複数のリングのうち、最も内側に位置するリングを含む2以上のリングの上方を覆っており、かつ、前記複数のリングのうち、少なくとも最も外側に位置するリングの上方を覆っていない、炭化珪素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device including a first conductive type silicon carbide substrate including an active region and a terminal region surrounding the active region, a plurality of unit cells located in the active region, and a terminal structure located in the terminal region. And
Each unit cell is at least
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer on the silicon carbide substrate and
A second conductive type first body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer,
A source region selectively formed in the first body region and
The gate insulating film located above the first silicon carbide semiconductor layer and
The gate electrode located on the gate insulating film and
The first contact area in contact with the first body area and
An inner peripheral upper source electrode electrically connected to the first contact region and the source region,
Including
The terminal structure is
With the silicon carbide substrate
The first silicon carbide semiconductor layer located on the silicon carbide substrate and
A second conductive type second body region selectively formed on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and having a ring shape surrounding the active region,
A plurality of second conductive type rings located on the surface of the first silicon carbide semiconductor layer and surrounding the second body region, and three or more second conductive type rings.
A second conductive type second contact region selectively formed on the surface of the second body region,
An interlayer insulating film located above the second contact region and
One or more outer peripheral upper source electrodes located above the interlayer insulating film, penetrating the interlayer insulating film and electrically connected to the second contact region, and surrounding the active region.
An upper gate electrode electrically connected to the gate electrode and located between the inner peripheral upper source electrode and the outer peripheral upper source electrode in the active region.
Including
It is composed of silicon nitride and is located on the innermost side of the inner peripheral upper source electrode and the upper gate electrode and the one or more outer peripheral upper source electrodes in the active region and the terminal region except for the pad region. A first protective film that covers the inner surface of the outer peripheral upper source electrode and
A second protective film made of an organic material and covering at least a part of the first protective film and the upper part of the plurality of rings in the active region and the terminal region.
With more
The first protective film covers the upper part of two or more rings including the innermost ring among the plurality of rings, and at least the outermost ring among the plurality of rings. It does not cover the upper silicon carbide semiconductor device.
前記断面において、前記第1保護膜の外側面と前記最も内側に位置するリングの外側面との距離は、18μm以上50μm以下である、請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。 In the cross section perpendicular to the extending direction of the plurality of rings, the distance W between the inner surface of the innermost ring and the outer surface of the outermost ring is 60 μm or more and 120 μm or less.
The silicon carbide semiconductor device according to claim 4 , wherein in the cross section, the distance between the outer surface of the first protective film and the outer surface of the innermost ring is 18 μm or more and 50 μm or less.
前記第1ベース電極は、前記内周上部ソース電極と電気的に接続され、前記第2ベース電極は、前記外周上部ソース電極と電気的に接続されている請求項1から7のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 The terminal structure is located on the inner peripheral surface of the second contact region and is electrically in contact with the first base electrode, and is located on the outer peripheral surface of the second body region and is electrically connected. With at least one second base electrode in contact with the
The first base electrode is electrically connected to the inner peripheral upper source electrode, and the second base electrode is electrically connected to the outer peripheral upper source electrode according to any one of claims 1 to 7. Silicon carbide semiconductor device.
前記第3コンタクト領域と電気的に接触している第3ベース電極と、
前記第3ベース電極に接続され、前記少なくとも1つのリングまたは前記複数のリングのうち最も外側のリングを囲むシール電極と、
をさらに備える請求項1から9のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 On the surface of the first silicon carbide semiconductor layer, a first located outside the at least one ring or the plurality of rings and selectively formed so as to surround the at least one ring or the plurality of rings. 3 contact areas and
A third base electrode that is in electrical contact with the third contact region,
A seal electrode connected to the third base electrode and surrounding the outermost ring of the at least one ring or the plurality of rings.
The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 9.
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