JP7004117B1 - 炭化珪素半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本開示の実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構成を説明する。なお、本開示において第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置である炭化珪素MOSFET(SiC-MOSFET)の1チップを上面から見た模式図である。図1において、チップのほぼ全面に設けられた主電流が流れるソース電極81(ソースパッド)と、ソース電極81と絶縁されて形成されたゲートパッド82と、同じくソース電極81と絶縁されて形成されたセンスパッド83が設けられている。ソース電極81の下部はほぼ活性領域101に対応し、活性領域101にはSBDを内蔵したMOSFETが配置されている。
図3において、4Hのポリタイプを有しn型で低抵抗の炭化珪素で構成される半導体基板10の第1の主面である表面上にエピタキシャル成長された、n型の炭化珪素で構成されるドリフト層20が形成されている。半導体基板10の第1の主面の面方位は、(0001)面でc軸に対して4°傾斜されている面である。
ソース領域40上およびウェルコンタクト領域35上にはオーミック電極70が形成されており、オーミック電極70上および第1離間領域21上にはソース電極81が形成されている。第1離間領域21とソース電極81とはショットキ接合し、ソース領域40とソース電極81と、および、ウェルコンタクト領域35とソース電極81とは、それぞれオーミック接続されている。オーミック電極70は、第1オーミック電極である。
センスソース領域41上およびセンスコンタクト領域36上にはセンスオーミック電極71が形成されており、センスオーミック電極71上および第3離間領域23上にはセンスパッド83が形成されている。第3離間領域23とセンスパッド83とはショットキ接合し、センスソース領域41とセンスパッド83と、および、センスコンタクト領域36とセンスパッド83とは、それぞれオーミック接続されている。センスオーミック電極71は、第2オーミック電極である。
活性センス領域102には、活性領域101と同じ大きさで同じ構造の単位セルのSBD内蔵MOSFETが形成されている。
ダミーセンスウェル領域32の上部には、ゲート絶縁膜50、ゲート絶縁膜50より膜厚の大きい酸化珪素からなるフィールド絶縁膜51が形成されている。図3の断面図においては、ダミーセンスウェル領域32上にセンスパッド83が形成されているが、ダミーセンスウェル領域32とセンスパッド83とはショットキ接続されており、オーミック接続されていない。
ここで、ウェル領域30とダミーセンスウェル領域32との間には、ドリフト層20の一部であるn型の第5離間領域25が形成されている。センスウェル領域31とダミーセンスウェル領域32との間にも、ドリフト層20の一部であるn型の第5離間領域25が形成されている。ダミーセンスウェル領域32は、第3ウェル領域である。
図示はしていないが、活性領域101のゲート電極60と活性センス領域のゲート電極60とは互いにつながっており、これらは、図1で示したゲートパッド82と、層間絶縁膜55に設けられたゲートコンタクトホール(図示せず)を経由して電気的に接続されている。
また、ソース電極81とセンスパッド83とゲートパッド82とはAlなどの同じ電極材料で形成されている。
さらに、半導体基板10の裏面側にはドレイン電極84が形成されている。
まず、第1主面の面方位がオフ角を有する(0001)面であり、4Hのポリタイプを有する、n型で低抵抗の炭化珪素からなる半導体基板10の上に、化学気相堆積法(chemical Vapor Deposition:CVD法)により、1×1014以上、1×1017cm-3以下の不純物濃度でn型、5μm以上、100μm以下の厚さの炭化珪素からなるドリフト層20をエピタキシャル成長させる。
同様に、所定の領域にウェル領域30の不純物濃度より高い不純物濃度でAlをイオン注入することにより、ウェルコンタクト領域35とセンスコンタクト領域36とを形成する。
つづいて、CVD法、フォトリソグラフィー技術等を用いて、ウェル領域30、センスウェル領域31が形成された領域にほぼ対応する領域以外の領域の半導体層の上に、膜厚が0.5μm以上、2μm以下の酸化珪素からなるフィールド絶縁膜51を形成する。フィールド絶縁膜51は、ダミーセンスウェル領域32上にも形成される。
次に、フォトレジスト等によるパターニングを用いて、ゲートパッド82が形成される領域またはその近傍のゲート電極60上のゲートコンタクトホール(図示せず)となる位置の層間絶縁膜55を除去する。
本開示の炭化珪素半導体装置の電気回路図を説明する。図4は、本開示の炭化珪素半導体装置およびその周辺の構成の電気回路図である。ここで、活性領域101では、ソース電極81とドレイン電極84とゲートパッド82との端子を有するMOSFETが配置され、活性センス領域102では、センスパッド83とドレイン電極84とゲートパッド82との端子を有するセンス用のMOSFETが配置される。センスパッド83は外部の電流計と接続される。ゲートパッド82の電圧を変動させることによりMOSFETのオン/オフを行なう。MOSFETに逆並列に接続されているダイオードは、MOSFETのボディダイオードと内蔵されたSBDを合わせたものである。
活性センス領域102においても、センスソース電圧(センスパッド83の電圧)がドレイン電圧と比較するとソース電圧に近い値になるので、活性センス領域102においても活性領域101と同様に、第3離間領域23とセンスパッド83と間にSBDが形成されて原則として還流電流がSBDに流れ、還流動作時にはセンスウェル領域31には還流電流は流れない。
したがって、本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、センス電流による無効電流を増加させることなく、通電劣化を抑制することができる。また、ダミーセンス領域を設けているので、センス電流の電流計を大容量のものにしないで小容量の電流計でセンス電流を高精度で測定することができ、その意味でも素子の信頼性を向上させることができる。
図5は、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の別の形態の断面図である。図5において、ダミーセンスウェル領域32上にはゲート絶縁膜50が形成されており、ダミーセンスウェル領域32上にはゲート電極60が形成されていない。この構造にすることにより、ダミーセンスウェル領域32の電位がオン/オフにより変動するゲート電極60の電位により変動することを抑制することができ、この点で、信頼性をより高くすることができる。
ここでは、センスパッド83がn型の低抵抗層42とオーミック接続され、p型のダミーセンスウェル領域32とはオーミック接続されていない。また、低抵抗層42があることで、スイッチング動作時にダミーセンスウェル領域32内に発生する電圧を低減することができる。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるSiC-MOSFETは、実施の形態1のSiC-MOSFETのダミーセンスウェル領域32上にゲート・センスソース間容量を形成している点が異なる。その他の点については、実施の形態1と同様であるので、詳しい説明は省略する。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるSiC-MOSFETは、活性領域101および活性センス領域102のMOSFETがトレンチ型である点が実施の形態1、2のものと異なる。その他の点については、実施の形態1、2と同様であるので、詳しい説明は省略する。
ウェル領域30とウェル領域30との間のn型の第1離間領域21は、ドリフト層20の一部であり、その上に形成されたソース電極81とショットキ接続してSBDを形成している。
ここでも、ダミーセンスウェル領域32は、ソース電極81、センスパッド83のいずれともオーミック接続されていない。
活性センス領域102では、MOSFETを形成するゲートトレンチ(第2トレンチ)95が、センスウェル領域31とセンスソース領域41とを貫通してドリフト層20に達するように形成され、ゲートトレンチ(第2トレンチ)95内にはゲート絶縁膜50を介してゲート電極60が形成されている。ショットキダイオードを形成するショットキトレンチ(第4トレンチ)97は、ドリフト層20に形成されている。
図19の構造の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート電極60に付加されるゲート・センスソース間容量をより大きくすることができるため、静電耐量を増加でき、素子の信頼性をより高めることができる。
本実施の形態は、上述した実施の形態1~3にかかる炭化珪素半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態4として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
図21に示す電力変換システムは、電源150、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源150は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源150を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。
駆動回路202は、ノーマリオフ型の各スイッチング素子を、ゲート電極の電圧とソース電極の電圧とを同電位にすることによってオフ制御している。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子として実施の形態1~3にかかる炭化珪素半導体装置を適用するため、低損失、かつ、高速スイッチングの信頼性を高めた電力変換装置を実現することができる。
Claims (12)
- 活性領域と活性センス領域との間に形成されたダミーセンス領域を有し、
第1導電型の炭化珪素の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記活性領域の前記ドリフト層に複数設けられた第2導電型の第1ウェル領域と、
それぞれの前記第1ウェル領域に隣接して形成された複数の第1導電型の第1離間領域と、
前記第1ウェル領域上に設けられた第1オーミック電極と、
前記第1ウェル領域の表層部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記第1離間領域に接して設けられ、前記第1離間領域とショットキ接続し、また、前記第1オーミック電極に電気的に接続されたソース電極と、
前記第1ウェル領域と離間して前記活性センス領域の前記ドリフト層の表層に設けられた第2導電型の第2ウェル領域と、
それぞれの前記第2ウェル領域に隣接して形成された複数の第1導電型の第3離間領域と、
前記第2ウェル領域上に設けられた第2オーミック電極と、
前記第3離間領域に接して設けられ、前記第3離間領域とショットキ接続し、また、前記第2オーミック電極に電気的に接続され、前記活性センス領域とダミーセンス領域とに形成されたセンスパッドと、
前記第2ウェル領域の表層部に形成された第1導電型のセンスソース領域と、
前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とに接して形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域とに対向して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、
前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との間のダミーセンス領域内の前記ドリフト層の表層に前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域と離間して形成され、前記ソース電極と前記センスパッドとのいずれともオーミック接続されない、第2導電型の第3ウェル領域と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記第3ウェル領域は、前記センスパッドとショットキ接続されることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第3ウェル領域の上層部に第1導電型の低抵抗層を有し、前記低抵抗層が前記センスパッドとオーミック接続されることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
- 平面視で前記第3ウェル領域内に第1導電型の第4離間領域を有し、前記第4離間領域と前記センスパッドとがショットキ接続することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第3ウェル領域に接する前記ゲート絶縁膜を有し、前記第3ウェル領域に接する前記ゲート絶縁膜に接する前記ゲート電極を備えたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記活性領域において、前記ソース領域と前記第1ウェル領域とを貫通する第1トレンチに接して前記ゲート絶縁膜が形成されており、前記活性センス領域において、前記センスソース領域と前記第2ウェル領域とを貫通する第2トレンチに接して前記ゲート絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記活性領域において、前記第1トレンチと別に設けられた第3トレンチ内に形成された前記ソース電極が前記第1離間領域とショットキ接続し、前記活性センス領域において、前記第2トレンチと別に設けられた第4トレンチ内に形成された前記センスパッドが前記第3離間領域とショットキ接続することを特徴とする請求項6に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記ダミーセンス領域は、前記活性領域と同じ繰り返し周期のセル構造を有していることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記ダミーセンス領域内に第5トレンチを有し、前記第5トレンチ内に形成された前記センスパッドが前記ドリフト層とショットキ接続することを特徴とする請求項8に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記ダミーセンス領域内に第6トレンチを有し、前記第6トレンチ内に前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極が形成されていることを特徴とする請求項8または9に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第6トレンチは、前記ドリフト層と接していないことを特徴とする請求項10に記載の炭化珪素半導体装置。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記炭化珪素半導体装置の前記ゲート電極の電圧を前記ソース電極の電圧と同じにすることによってオフ動作させ、前記炭化珪素半導体装置を駆動する駆動信号を前記炭化珪素半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
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