JP7459292B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下の説明において、半導体装置の「活性領域」とは半導体装置のオン状態において主電流が流れる領域であり、半導体装置の「終端領域」とは、活性領域の周囲における領域であるものと定義する。また、以下において、半導体装置の「外側」とは半導体装置の中央部から外周部に向かう方向を意味し、半導体装置の「内側」とは「外側」に対して反対の方向を意味する。また、以下の記載では、不純物の導電型に関して、n型を「第1導電型」、n型とは反対導電型のp型を「第2導電型」として定義するが、その逆に「第1の導電型」をp型、「第2の導電型」をn型と定義しても良い。
以下、実施の形態1の半導体装置の構成、動作および製造方法について説明する。
図1は、実施の形態1に係る半導体装置であるMOSFET100の構成を示す部分断面図であり、図2は、MOSFET100の平面図である。なお、図2におけるA-A線での矢視方向断面図が図1に対応する。なお、図2においては、便宜的にMOSFET100の上面構成のうち、表面保護膜6(上面膜)を省略している。また、図1において、右側がMOSFET100の終端領域であり、左側がMOSFET100のオン状態において主電流が流れる活性領域である。
図4は、実施の形態1の変形例であるMOSFETの101の構成を示す断面図である。なお、図4においては、図1を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図5は、実施の形態1の変形例であるMOSFETの102の構成を示す断面図である。なお、図5においては、図1を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図6は、実施の形態1の変形例であるMOSFETの103の構成を示す断面図である。なお、図6においては、図1を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図7は、実施の形態1の変形例であるMOSFETの104の構成を示す平面図である。なお、図7においては、図2を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図8は、実施の形態1の変形例であるMOSFETの105の構成を示す断面図である。なお、図8においては、図1を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図9は、実施の形態1の変形例であるMOSFETの106の構成を示す断面図である。なお、図9においては、図1を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図1および図2を用いて説明した実施の形態1のMOSFET100の動作を、2つの状態に分けて説明する。
H2O + e- → OH- + 1/2H2 ・・・(2)
これに伴い、ソース電極51の近傍で水酸化物イオンの濃度が増加する。この水酸化物イオンは、ソース電極51と化学的に反応する。例えば、ソース電極51がアルミニウムで構成される場合は、上記の化学反応によってアルミニウムが水酸化アルミニウムとなることがある。
次に、製造工程を順に示す断面図である図11~図18を用いて、実施の形態1のMOSFET100の製造方法について説明する。なお、以下では、図4に示したMOSFET101の製造方法の説明をもってMOSFET100の製造方法の説明に替える。
以下、実施の形態2の半導体装置の構成、動作および製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、実施の形態1のMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図19は、本実施の形態2に係る半導体装置であるMOSFET200の構成を示す平面図である。また、図20は、図19におけるB-B線での矢視方向断面図である。なお、図19においては、便宜的にMOSFET200の上面構成のうち、表面保護膜6(上面膜)を省略している。
図21は、実施の形態2の変形例であるMOSFETの201の構成を示す断面図である。なお、図21においては、図20を用いて説明したMOSFET200と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
また、図8に示された実施の形態1の変形例であるMOSFETの105のように、フィールド絶縁膜4上の外周配線層13の上部において層間絶縁膜14を貫通して外周配線層13に達するコンタクトホールCH13が設けられ、コンタクトホールCH13を介してソース配線51wと外周配線層13とが接続された構成とすることもできる。なお、コンタクトホールCH13は1つに限らず、複数設けることができる。
次に、図19および図20を用いて説明した実施の形態2のMOSFET200の動作について説明する。
次に、製造工程を順に示す断面図である図23~図31を用いて、実施の形態2のMOSFET200の製造方法について説明する。なお、以下では、図21に示したMOSFET201の製造方法の説明をもってMOSFET200の製造方法の説明に替える。なお、図1~図18を用いて説明した実施の形態1のMOSFET100の製造方法と同一の工程については適宜説明を省略する。
以上説明した実施の形態1および2の半導体装置では、エピタキシャル基板30の材料としてSiCを用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、エピタキシャル基板30の材料としては、窒化ガリウム(GaN)など他のワイドバンドギャップ半導体を用いることもできる。
また、実施の形態1のMOSFET100および実施の形態2のMOSFET200は、プレーナ型のトランジスタとして例示したが、トレンチ型のトランジスタに本開示を適用することもできる。
本実施の形態3に係る電力変換装置および電力変換装置の製造方法について説明する。本実施の形態3は、以上に記載された実施の形態1および2に係る半導体装置を電力変換装置に適用するものであり、以下の説明においては、実施の形態1および2で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。
適用する電力変換装置は特定の用途のものに限定されるものではないが、以下では、三相のインバータに適用する場合について説明する。
次に、本実施の形態3に関する電力変換装置の製造方法を説明する。まず、実施の形態1および2に記載された製造方法で半導体装置を製造する。そして、当該半導体装置を有する変換回路2201を電力変換装置2200に組み込む。変換回路2201は、入力される電力を変換して出力するための回路である。
Claims (16)
- 半導体基板の厚み方向に主電流が流れる活性領域を有する半導体装置であって、
前記半導体基板は、
前記活性領域が設けられた内側領域と前記内側領域を囲む外側領域とに区分され、
前記半導体装置は、
第1導電型の半導体層と、
平面視において前記内側領域を囲むように前記半導体層の上層部に選択的に設けられた、前記第1導電型とは異なる導電型の第2導電型の終端ウェル領域と、
前記終端ウェル領域の上層部に選択的に設けられた第1または第2導電型の不純物領域と、
前記半導体基板の第1の主面とは反対側の第2の主面側に設けられた表面電極と、
前記第1の主面上に設けられた裏面電極と、
前記終端ウェル領域の上部を部分的に覆うように設けられた絶縁膜と、
少なくとも一部が前記絶縁膜の上部に設けられ、平面視において前記内側領域を囲む外周配線層と、
前記絶縁膜および前記外周配線層を少なくとも覆う層間絶縁膜と、を備え、
前記終端ウェル領域は、
前記内側領域と前記外側領域との境界から前記外側領域に延在し、
前記表面電極は、前記内側領域から前記層間絶縁膜の上部にかけて設けられ、前記層間絶縁膜を貫通して前記不純物領域に達する第1のコンタクトホールを介して前記不純物領域に接続され、
前記外周配線層は、
前記内側領域に設けられ、前記外側領域まで引き出されたゲート電極と離間し、
平面視において前記内側領域とは反対側である外周側の外周端部が、平面視において前記内側領域とは反対側の前記終端ウェル領域の外周端部よりも内周側に位置すると共に、前記層間絶縁膜の上部の前記表面電極の端部の下方から、さらに外側に位置するように設けられる、半導体装置。 - 前記外周配線層は、
前記内側領域を囲む全周において、前記外周端部が、前記層間絶縁膜の上部の前記表面電極の前記端部の下方から、さらに外側に位置するように設けられる、請求項1記載の半導体装置。 - 前記外周配線層は、
前記外周端部が、前記層間絶縁膜の上部の前記表面電極の前記端部の下方から少なくとも1μmさらに外側に位置するように設けられる、請求項1記載の半導体装置。 - 前記表面電極は、
前記層間絶縁膜を貫通して前記外周配線層に達する第2のコンタクトホールを介して前記外周配線層に接続される、請求項1記載の半導体装置。 - 前記表面電極は、
前記層間絶縁膜の上部の前記端部において、前記第2のコンタクトホールを介して前記外周配線層に接続される、請求項4記載の半導体装置。 - 半導体基板の厚み方向に主電流が流れる活性領域を有する半導体装置であって、
前記半導体基板は、
前記活性領域が設けられた内側領域と前記内側領域を囲む外側領域とに区分され、
前記半導体装置は、
第1導電型の半導体層と、
平面視において前記内側領域を囲むように前記半導体層の上層部に選択的に設けられた、前記第1導電型とは異なる導電型の第2導電型の終端ウェル領域と、
前記終端ウェル領域の上層部に選択的に設けられた第1または第2導電型の不純物領域と、
前記半導体基板の第1の主面とは反対側の第2の主面側に設けられた表面電極と、
前記第1の主面上に設けられた裏面電極と、
前記終端ウェル領域の上部を部分的に覆うように設けられた絶縁膜と、
少なくとも一部が前記絶縁膜の上部に設けられた外周配線層と、
前記絶縁膜および前記外周配線層を少なくとも覆う層間絶縁膜と、を備え、
前記終端ウェル領域は、
前記内側領域と前記外側領域との境界から前記外側領域に延在し、
前記内側領域は、
トランジスタの最小単位構造が複数設けられて前記活性領域を構成し、
前記表面電極は、
前記トランジスタのゲート電極に電気的に接続されるゲート部と、
前記トランジスタのソース領域電極に電気的に接続されるソース電極と、を有し、
前記ゲート電極は、
少なくとも一部が前記絶縁膜の上部に設けられ、
前記ソース電極は、
前記内側領域から前記層間絶縁膜の上部にかけて設けられ、前記層間絶縁膜を貫通して前記不純物領域に達する第1のコンタクトホールを介して前記不純物領域に接続されるソースパッドと、前記ソースパッドと接続されるソース配線と、を含み、
前記ゲート部は、
前記ソースパッドから離間して、平面視で前記ソースパッドを囲むように前記層間絶縁膜の上部に設けられ、前記層間絶縁膜を貫通して前記絶縁膜の上部の前記ゲート電極に達する第2のコンタクトホールを介して前記ゲート電極に接続されるゲート配線と、前記ゲート配線に接続されるゲートパッドと、を含み、
前記ソース配線は、前記ゲート配線と離間して、平面視で前記ゲート配線を囲むように前記層間絶縁膜の上部に設けられ、
前記外周配線層は、
平面視において前記ゲート電極を囲むように前記絶縁膜上に設けられ、
前記内側領域とは反対側である外周側の外周端部が、平面視において前記内側領域とは反対側の前記終端ウェル領域の外周端部よりも内周側に位置すると共に、前記ソース配線の外周端部の下方から、さらに外側に位置し、かつ、前記ソース配線の内周端部の下方から、さらに内側に位置するように設けられる、半導体装置。 - 前記外周配線層は、
前記ゲート電極を囲む全周において、前記外周端部が、前記ソース配線の前記外周端部の下方から、さらに外側に位置し、かつ、前記ソース配線の前記内周端部の下方から、さらに内側に位置するように設けられる、請求項6記載の半導体装置。 - 前記外周配線層は、
前記外周端部が、前記ソース配線の前記外周端部の下方から少なくとも1μmさらに外側に位置し、かつ、前記ソース配線の前記内周端部の下方から少なくとも1μmさらに内側に位置するように設けられる、請求項6記載の半導体装置。 - 前記ソース配線は、
前記層間絶縁膜を貫通して前記外周配線層に達する第3のコンタクトホールを介して前記外周配線層に接続される、請求項6記載の半導体装置。 - 前記ソース配線は、
前記ソース配線の前記外周端部において前記第3のコンタクトホールを介して前記外周配線層に接続される、請求項9記載の半導体装置。 - 前記ソース配線は、
前記ソース配線の前記内周端部において前記第3のコンタクトホールを介して前記外周配線層に接続される、請求項9記載の半導体装置。 - 前記半導体層は、炭化珪素半導体層である、請求項1または請求項6記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は、ホウ素またはリンの元素組成を有する、請求項1または請求項6記載の半導体装置。
- 前記終端ウェル領域の単位面積当たりの不純物濃度が2×1013cm-2以上である、請求項1または請求項6記載の半導体装置。
- 前記半導体基板は、
前記半導体層の上層部に選択的に設けられた、第2の導電型のウェル領域を有し、
前記ウェル領域は、
前記終端ウェル領域の不純物濃度以下の不純物濃度を有する、請求項1または請求項6記載の半導体装置。 - 請求項1から請求項15のうちの何れか1項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する変換回路と、
前記半導体装置を駆動するための駆動信号を前記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ための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、を備える、電力変換装置。
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