JP7471199B2 - 炭化珪素半導体装置、電力変換装置、および炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体装置、電力変換装置、および炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。
従来、炭化珪素半導体装置には、電極の金属材料の拡散を防止する等の目的でバリアメタルが設けられる（例えば特許文献１）。閾値電圧の変動を抑制する観点から、単層のバリアメタルの厚みが大きい方がよく（例えば特許文献１の段落００２１）、単層のバリアメタルの厚みは１００ｎｍ以上であることが望ましい。
しかし、単層のバリアメタルの厚みが大きいほど、バリアメタル形成後の加工工程または通電スクリーニング処理において、バリアメタルの内部応力の影響によりバリアメタルまたは層間絶縁膜にクラックが生じやすいという問題があった。そして、クラックが生じると、局所的にバリアメタルで保護できない箇所が生じるため、閾値電圧の変動が生じてしまう。
また、特許文献１の実施の形態５には、バリアメタルをＴｉＳｉ層とＴｉ層からなる２層構造とすることが記載されている。しかし、バリアメタルを異なる材料による２層構造とすると、熱膨張係数差による熱応力が１層目と２層目との間にかかり、クラックが発生する懸念が高まるという問題があった。
特開２０１８－１８２０３２号公報
本開示は、炭化珪素半導体装置において、閾値電圧の変動の抑制と、バリアメタルにおけるクラックの発生の抑制とを目的とする。
本開示の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、炭化珪素基板上に形成される半導体層と、ゲート絶縁膜を介して半導体層と対向するゲート電極と、ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、セル領域において層間絶縁膜上に形成されるバリアメタルと、バリアメタルを覆う上面電極と、を備え、バリアメタルは、第１バリアメタルと第２バリアメタルからなる２層構造であり、層間絶縁膜側のバリアメタルである第１バリアメタルは、第２バリアメタルと同一の金属からなり、第２バリアメタルよりも厚みが小さく、層間絶縁膜と前記上面電極との間に、第２バリアメタルが形成されない部分がある。
本開示の技術によれば、炭化珪素半導体装置において、閾値電圧の変動を抑制しつつ、バリアメタルにおけるクラックの発生を抑制することが可能である。
実施の形態１の炭化珪素半導体装置の上面図である。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置のセル領域の断面図である。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置のゲートパッド領域の断面図である。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。 比較例の炭化珪素半導体装置の断面図である。 実施の形態２の炭化珪素半導体装置の断面図である。 実施の形態２の炭化珪素半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態３の炭化珪素半導体装置の断面図である。 実施の形態３の炭化珪素半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態４の炭化珪素半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 電力変換システムの構成を示すブロック図である。
本明細書において、半導体の第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とする。しかし、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても良い。また、ｎ－型、ｎ型という表記は、この記載の順番にｎ型不純物濃度が低いことを表している。つまり、ｎ型はｎ－型よりｎ型不純物濃度が高い。この不純物濃度の関係は、ｐ－型、ｐ型という表記についても、ｐ型不純物濃度に関して当てはまる。
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ－１．構造＞
＜Ａ－１－１．平面構造＞
図１は、実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１の平面図である。図１に示されるように、炭化珪素半導体装置１０１は、セル領域１、終端領域２、およびパッド領域３を備えて構成される。なお、図１に示される平面図は、実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１の他、後述する他の実施の形態の半導体装置および比較例の半導体装置にも適用される。
以下の説明では、炭化珪素半導体装置１０１をＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）として説明する。
セル領域１は、半導体素子構造が形成され、半導体素子として動作する領域である。炭化珪素半導体装置１０１がＭＯＳＦＥＴである場合、セル領域１にはＭＯＳＦＥＴ構造が形成され、ＭＯＳＦＥＴとして動作する。
終端領域２は、セル領域１およびパッド領域３を囲むように設けられ、炭化珪素半導体装置１０１の耐圧保持を担う。
パッド領域３は、炭化珪素半導体装置１０１を制御するための制御パッド４が設けられる領域であり、セル領域１に隣接する。なお、セル領域１とパッド領域３を合わせて素子領域とも称する。
制御パッド４は、例えば電流センスパッド４ａまたはゲートパッド４ｂである。電流センスパッド４ａは、セル領域１に流れる電流を検知するための制御パッドである。電流センスパッド４ａは、セル領域１の一部に電気的に接続されており、これによってセル領域１に電流が流れる際に、セル領域１全体に流れる電流の数分の１から数万分の１の電流が電流センスパッド４ａに流れる。電流センスパッド４ａは、図１に示されるように複数設けられていてもよいし、１つだけ設けられていてもよい。電流センスパッド４ａをセンスセル領域とも称する。一方、ゲートパッド４ｂは、セル領域１のゲート電極が接続されており、セル領域１に流れる電流を制御する。ゲートパッド４ｂが形成される領域をゲートパッド領域とも称する。
＜Ａ－１－２．断面構造＞
図２および図３は、炭化珪素半導体装置１０１の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線におけるセル領域１の断面図である。なお、図１のＢ－Ｂ線における電流センスパッド４ａの断面図も図２に示すものと同様である。すなわち、セル領域１と電流センスパッド４ａは同一の断面構造を有している。図３は、図１のＣ－Ｃ線におけるゲートパッド領域の断面図である。
図２に示されるように、炭化珪素半導体装置１０１はセル領域１において、炭化珪素基板１１、半導体層１２、ゲート絶縁膜２６、ゲート電極１８、バリアメタル２１，２２、ソース電極２３、およびドレイン電極２４を備えて構成される。
炭化珪素基板１１は、ｎ－型であり、第１基板主面Ｓ１１１と、第１基板主面Ｓ１１１に対向する第２基板主面Ｓ１１２とを有する。
半導体層１２は、炭化珪素基板１１の第１基板主面Ｓ１１１上に設けられ、第１半導体層主面Ｓ１２１と、第１半導体層主面Ｓ１２１に対向する第２半導体層主面Ｓ１２２とを有する。第２半導体層主面Ｓ１２２は炭化珪素基板１１の第１基板主面Ｓ１１１に接する。半導体層１２は、ｎ－型のエピタキシャル層１４、複数のｐ型のウェル領域１５、複数のｎ型のソース領域１６、および複数のｐ＋型のコンタクト領域１７を備えている。
エピタキシャル層１４は、炭化珪素基板１１の第１基板主面Ｓ１１１上に設けられる。
複数のウェル領域１５は、エピタキシャル層１４の第１半導体層主面Ｓ１２１側の表層に選択的に形成される。
各ソース領域１６は、各ウェル領域１５の第１半導体層主面Ｓ１２１側の表層に選択的に形成される。
各コンタクト領域１７は、各ウェル領域１５の第１半導体層主面Ｓ１２１側の表層に、各ソース領域１６に隣接して選択的に形成される。なお、コンタクト領域１７は炭化珪素半導体装置１０１になくてもよい。
ウェル領域１５の表層は、ソース領域１６とエピタキシャル層１４とに挟まれており、チャネル領域として動作する。このチャネル領域上にはゲート絶縁膜２６が形成される。
ゲート絶縁膜２６上にはゲート電極１８が形成される。ゲート電極１８は、ゲート絶縁膜２６を介して、ウェル領域１５のチャネル領域に対向する。
層間絶縁膜１９はゲート電極１８を覆うように形成される。層間絶縁膜１９は熱酸化膜である。層間絶縁膜１９には、ソース領域１６とコンタクト領域１７を露出するコンタクトホール１９ｈが形成される。
コンタクトホール１９ｈ内および層間絶縁膜１９上にはバリアメタル２１が形成される。バリアメタル２１は、コンタクトホール１９ｈにおいてソース領域１６およびコンタクト領域１７に接触する。
バリアメタル２１上にはバリアメタル２２が形成される。すなわち、炭化珪素半導体装置１０１は、下層のバリアメタル２１と上層のバリアメタル２２という２層のバリアメタルを有している。バリアメタル２１を第１バリアメタル、バリアメタル２２を第２バリアメタルとも称する。バリアメタル２１，２２は同一の金属材料からなる。バリアメタル２１は、閾値電圧の変動を抑制しつつクラックを抑制するために、厚みが１００ｎｍ以下であることが望ましい。バリアメタル２２は、閾値電圧の変動を抑制しつつクラックを抑制するために、厚みがバリアメタル２１の厚みより大きく、かつ１００ｎｍ以下であることが望ましい。バリアメタル２１，２２の合計の厚みは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
ソース電極２３は、バリアメタル２２の上に形成され、バリアメタル２１，２２を介してソース領域１６およびコンタクト領域１７と接する。ソース電極２３は、上面電極の一例である。
ドレイン電極２４は、炭化珪素基板１１の第２基板主面Ｓ１１２上に形成される。ドレイン電極２４は下面電極の一例である。
一方、ゲートパッド領域では、図３に示されるように、ウェル領域１５の上面にフィールド酸化膜２７が形成されており、ゲート電極１８がフィールド酸化膜２７上に延在している。また、ゲートパッド領域では、層間絶縁膜１９が除去され、ゲート電極１８が露出する。露出したゲート電極１８の上面には、上述のバリアメタル２１，２２が成膜され、その上にゲートパッド４ｂが形成される。なお、ソース電極２３およびゲートパッド４ｂは同一の工程で形成されるが、バリアメタル２１，２２と共にパターニングされることにより、電気的に分離されている。
＜Ａ－２．製造工程＞
図４は、炭化珪素半導体装置１０１の製造工程を示すフローチャートである。また、図５から図８は、炭化珪素半導体装置１０１の製造工程を示す断面図である。以下、図４のフローチャートに沿って、図５から図８を参照しつつ炭化珪素半導体装置１０１の製造工程を説明する。なお、図５から図８は、図１のＡ－Ａ線またはＢ－Ｂ線に沿った断面図に対応しており、ゲートパッド領域および終端領域２を図示していない。ゲートパッド領域におけるバリアメタル２１，２２は、セル領域１および電流センスパッド４ａにおけるバリアメタル２１，２２と同一の方法により成膜される。ゲートパッド領域におけるバリアメタル２１，２２以外の構成は、周知の製造方法により作成される。また、終端領域２も周知の製造方法により作製される。

まず、炭化珪素基板１１を準備する（ステップＳ１０１）。
次に、炭化珪素基板１１の第１基板主面Ｓ１１１上にエピタキシャル成長を行い、エピタキシャル層１４を形成する（ステップＳ１０２）。ここで、炭化珪素基板１１およびエピタキシャル層１４に含まれるｎ型不純物の濃度は、作製する半導体装置の耐圧によって適宜選択する。こうして、図５に示される構成が得られる。
次に、エピタキシャル層１４の上面からｐ型不純物およびｎ型不純物のイオンを注入し、注入したイオンを熱処理などによってエピタキシャル層１４内に拡散することで、セル領域１および電流センスパッド４ａにおいてウェル領域１５、ソース領域１６、およびコンタクト領域１７を形成する（ステップＳ１０３）。
具体的には、エピタキシャル層１４の上面にマスク処理を施す。マスク処理とは、レジストを塗布し、写真製版技術を用いてレジストの所定の領域に開口を形成することをいう。レジストの開口を介してエピタキシャル層１４にボロン（Ｂ）などのｐ型不純物を注入する。熱処理によりｐ型不純物を拡散させることで、複数のウェル領域１５を形成する。複数のウェル領域１５は、エピタキシャル層１４の上面側に選択的に形成される。
複数のウェル領域１５の形成深さおよびｐ型不純物濃度は同じであってもよい。この場合、複数のウェル領域１５の形成に必要なイオン注入が１度で済むため、炭化珪素半導体装置１０１の生産性が向上する。また、複数のウェル領域１５の深さが同じであるため、電界集中を緩和して耐圧低下を抑制することができる。なお、複数回のイオン注入を行うことによって、複数のウェル領域１５の形成深さおよびｐ型不純物濃度を異ならせてもよい。
次に、エピタキシャル層１４およびウェル領域１５の上面にマスク処理を施し、レジストの開口を介してウェル領域１５にｎ型不純物を注入する。注入するｎ型不純物は、例えば、砒素（Ａｓ）またはリン（Ｐ）である。そして、熱処理によりｎ型不純物をウェル領域１５内に拡散させることで、ソース領域１６を形成する。ソース領域１６は、ウェル領域１５の表層に選択的に形成される。
その後、エピタキシャル層１４の上面にマスク処理を施し、レジストの開口を介してウェル領域１５にボロンなどのｐ型不純物を注入する。そして、熱処理によりｐ型不純物を拡散させることで、ｐ＋型のコンタクト領域１７を形成する。コンタクト領域１７は、ウェル領域１５の表層にソース領域１６に隣接して選択的に形成される。こうして、エピタキシャル層１４、ウェル領域１５、ソース領域１６、およびコンタクト領域１７を含む半導体層１２が形成され、図６に示される構成が得られる。
次に、セル領域１および電流センスパッド４ａにおいてゲート酸化膜、ゲート電極１８、および層間絶縁膜１９を形成する（ステップＳ１０４）。具体的には、まず、酸素を含む雰囲気中でウエハを加熱することにより、半導体層１２の上面にＳｉＯ２からなるゲート酸化膜を形成する。そして、ゲート酸化膜上に、ｎ型またはｐ型の不純物をドープしたポリシリコンをＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などによって堆積させて、ゲート電極１８を形成する。
その後、ゲート電極１８上に層間絶縁膜１９を形成する。層間絶縁膜１９は、例えば、ＳｉＯ２またはＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）である。そして、層間絶縁膜１９の上面にマスク処理を施し、レジストの開口を介して層間絶縁膜１９の一部をエッチングすることにより、図７に示されるように層間絶縁膜１９にコンタクトホール１９ｈを形成する。コンタクトホール１９ｈは、ウェル領域１５およびコンタクト領域１７の上に形成される。
次に、セル領域１において、層間絶縁膜１９のコンタクトホール１９ｈ内および層間絶縁膜１９上にバリアメタル２１を形成する（ステップＳ１０５）。バリアメタル２１は、チタン（Ｔｉ）をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤによって成膜することで形成される。
バリアメタル２１を形成した後、ウエハを大気に触れさせることなく、連続してチタン（Ｔｉ）をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤによって成膜する。こうして、セル領域１においてバリアメタル２１上にバリアメタル２２が形成される（ステップＳ１０６）。ここで、バリアメタル２２はバリアメタル２１よりも厚く形成される。こうして、図８に示される構成が得られる。
次に、バリアメタル２２の上にソース電極２３を形成する（ステップＳ１０７）。ソース電極２３は、例えば、スパッタリングまたは蒸着などのＰＶＤによってアルミシリコン合金（Ａｌ－Ｓｉ系合金）をバリアメタル２２の上に堆積させることにより形成される。また、アルミシリコン合金の上に、無電解めっき処理または電解めっき処理によってニッケル合金（Ｎｉ合金）をさらに形成し、アルミシリコン合金とニッケル合金とをあわせてソース電極２３としてもよい。めっき処理によれば、厚い金属膜をソース電極２３として容易に形成することができる。従って、ソース電極２３の熱容量が増加し、耐熱性が向上する。上記のめっき処理によるニッケル合金の形成は、後述するドレイン電極２４の形成後に実施してもよい。
次に、炭化珪素基板１１の第２基板主面Ｓ１１２上にドレイン電極２４を形成する。ドレイン電極２４は、セル領域１および終端領域２に亘って形成される。ドレイン電極２４は、例えば、スパッタリングまたは蒸着などのＰＶＤによりアルミシリコン合金またはチタンなどを堆積させて形成される。また、ドレイン電極２４は、アルミシリコン合金、チタン、ニッケルまたは金など複数の金属を積層することにより形成されてもよい。また、ＰＶＤで形成された金属膜上に無電解めっきまたは電解めっきでさらに金属膜を形成し、ＰＶＤで形成された金属膜とめっき処理で形成した金属膜をあわせてドレイン電極２４としてもよい。これにより、図２に示す構成が得られる。
炭化珪素半導体装置１０１は、１枚のｎ型ウエハにマトリクス状に複数作製されるため、レーザーダイシングまたはブレードダイシングにより１ウエハを個々の炭化珪素半導体装置１０１に切り分けることによって、炭化珪素半導体装置１０１が完成する。
＜Ａ－３．変形例＞
上記では、バリアメタル２１，２２の金属材料をＴｉとして説明している。しかし、バリアメタル２１，２２の金属材料は同一であれば、Ｔｉに限らず、ＴｉＮまたはＴｉＳｉであっても同一の効果を得る。バリアメタル２１，２２の金属材料をＴｉＮとする場合、バリアメタル２１は、チタン（Ｔｉ）をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤによって成膜した後、Ｎ２雰囲気化で熱処理することによって形成される。アニール温度は５００～１１００℃で時間は１時間程度である。ＴｉＮ上に自然酸化膜を形成してもよい。その後、バリアメタル２２もバリアメタル２１と同様に形成される。
＜Ａ－４．効果＞
図９は、単層のバリアメタル２０を有する比較例の炭化珪素半導体装置１００の断面図である。炭化珪素半導体装置１００においては、バリアメタル２０の厚みを大きくすることにより、閾値電圧の変動を抑制することが可能となるが、バリアメタル２０が厚くなるほど、バリアメタル２０の内部応力の影響によりバリアメタル２０または層間絶縁膜１９にクラックが生じやすいという問題がある。バリアメタル２０に生じるクラックの要因として、ダイシングカットのような半導体ウエハからチップを切り出す加工工程時に生じる発熱、または電気特性不良のスクリーニングテスト時の電流印加による発熱などにより生じる熱応力がある。そして、クラックが生じると、局所的にバリアメタル２０で保護できない箇所が生じるため、閾値電圧の変動が生じてしまう。
これに対して、実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１は、２層のバリアメタル２１，２２を有する。そして、下層のバリアメタル２１は、上層のバリアメタル２２よりも厚みが小さい。すなわち、炭化珪素半導体装置１０１は、平面視においてセル領域１とセル領域１に隣接するセンスセル領域とに区分され、炭化珪素基板１１と、炭化珪素基板１１上に形成される半導体層１２と、ゲート絶縁膜２６を介して半導体層１２と対向するゲート電極１８と、ゲート電極１８を覆う層間絶縁膜１９と、層間絶縁膜１９上に形成されるバリアメタルと、バリアメタルを覆う上面電極と、を備え、バリアメタルは、バリアメタル２１とバリアメタル２２からなる２層構造であり、層間絶縁膜１９側のバリアメタルであるバリアメタル２１は、バリアメタル２２と同一の金属からなり、バリアメタル２２よりも厚みが小さい。
実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１の製造方法は、炭化珪素基板１１を準備し、炭化珪素基板１１上に半導体層１２を形成し、ゲート絶縁膜２６を介して半導体層１２と対向するゲート電極１８を形成し、ゲート電極１８を覆う層間絶縁膜１９を形成し、層間絶縁膜１９上にバリアメタル２１を形成し、バリアメタル２１上に、バリアメタル２１と同一の金属からなり、バリアメタル２１よりも厚いバリアメタル２２を形成し、バリアメタル２２を覆う上面電極を形成する。
そのため、上層のバリアメタル２２にクラックが生じたとしても、薄い下層のバリアメタル２１にクラックが生じる可能性は上層のバリアメタル２２より小さい。従って、上層のバリアメタル２２にクラックが生じたとしても、下層のバリアメタル２１でクラックが抑制され、層間絶縁膜１９へのクラックの進展が抑制されるため、閾値電圧の変動が抑制される。
また、バリアメタル２１，２２の金属材料が同一であるため、異なる場合に比べてバリアメタル２１，２２の原子間結合が強固である。従って、１層目のバリアメタル２１が薄くても、２層目のバリアメタル２２との結合が強固であるため、閾値電圧の変動の原因となる水素イオンのゲート酸化膜への侵入がより抑制される。また、バリアメタル２１，２２の金属材料が異なる場合は、バリアメタル２１，２２間で熱膨張率が異なり、熱膨張係数差による熱応力が発生するが、バリアメタル２１，２２の金属材料が同一であることによって、熱応力が抑制される。
このように、炭化珪素半導体装置１０１によれば、閾値電圧の変動およびクラックの発生を抑制することができ、生産性が向上する。
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ－１．構成＞
図１０は、実施の形態２の炭化珪素半導体装置１０２の構成を示す断面図である。図９は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。炭化珪素半導体装置１０２は、実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１の構成に加えて、下層のバリアメタル２１と上層のバリアメタル２２との間に酸化膜２５を備えている。酸化膜２５の厚みは極めて小さく、１Å程度である。
＜Ｂ－２．製造工程＞
図１１は、実施の形態２の炭化珪素半導体装置１０２の製造工程を示すフローチャートである。実施の形態２の炭化珪素半導体装置１０２の製造工程を説明する。
下層のバリアメタル２１を形成するまでの工程（ステップＳ１０１からステップＳ１０５）は、実施の形態１と同様である。
下層のバリアメタル２１を形成した後、ウエハを取り出し、Ｔｉからなるバリアメタル２１の表面を自然酸化させることにより、１Å程度の厚みの酸化膜２５を形成する（ステップＳ１０５Ａ）。
その後のステップＳ１０６およびステップＳ１０７は実施の形態１と同様である。
＜Ｂ－３．効果＞
炭化珪素半導体装置１０２は、実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１の構成に加えて、バリアメタル２１とバリアメタル２２との間に酸化膜２５を備える。炭化珪素半導体装置１０２の製造方法は、バリアメタル２１上に酸化膜２５を形成し、酸化膜２５を介してバリアメタル２１上にバリアメタル２２を形成する。酸化膜２５は、上層のバリアメタル２２に発生したクラックが下層のバリアメタル２１に到達することを防ぐと共に、閾値電圧の変動の原因となる水素イオンがゲート酸化膜へ侵入することを抑制する。従って、実施の形態２の炭化珪素半導体装置１０２によれば、閾値電圧の変動を実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１よりも抑制することができる。
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ－１．構成＞
図１２は、実施の形態３の炭化珪素半導体装置１０３の構成を示す断面図である。図１２は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。実施の形態１の炭化珪素半導体装置１０１では、下層のバリアメタル２１および上層のバリアメタル２２が層間絶縁膜１９の全領域上に形成された。これに対して実施の形態３の炭化珪素半導体装置１０３では、層間絶縁膜１９の一部の領域上において、下層のバリアメタル２１が形成されず上層のバリアメタル２２が形成されることにより、上層のバリアメタル２２に段差が生じることを特徴とする。
＜Ｃ－２．製造工程＞
図１３は、実施の形態３の炭化珪素半導体装置１０３の製造工程を示すフローチャートである。実施の形態３の炭化珪素半導体装置１０３の製造工程を説明する。
下層のバリアメタル２１を形成するまでの工程（ステップＳ１０１からステップＳ１０５）は、実施の形態１と同様である。下層のバリアメタル２１を形成した後、層間絶縁膜１９の一部の領域上のバリアメタル２１を除去する（ステップＳ１０５Ｂ）。
バリアメタル２１の除去は、例えば以下の方法により行われる。すなわち、写真製版工程により、レジストパターンをバリアメタル２１上に形成し、バリアメタル２１を一部エッチングする。その後、レジストを除去することによりバリアメタル２１のパターニングが完了する。
その後のステップＳ１０６およびステップＳ１０７は実施の形態１と同様である。
なお、実施の形態２と同様に、実施の形態３の炭化珪素半導体装置１０３においても、バリアメタル２１，２２の間に酸化膜２５が形成されてもよい。この場合、ステップＳ１０５ＢとステップＳ１０６の間に実施の形態２で説明したステップＳ１０５Ａが行われる。
図１２では、下層のバリアメタル２１が、層間絶縁膜１９の一部の領域上に形成されない構成が示されているが、下層のバリアメタル２１に代えて上層のバリアメタル２２が、層間絶縁膜１９の一部の領域上に形成されなくてもよい。その場合、上記のステップＳ１０５Ｂは実施せず、上層のバリアメタル２２の形成までを実施の形態１と同様に行った後、バリアメタル２２に対して写真製版処理を行って、バリアメタル２２を一部エッチングすればよい。
上記では、写真製版処理によってバリアメタル２１の一部を除去することについて説明した。しかし、製造工程中に下層のバリアメタル２１に異物が付着した場合、バリアメタル２１の形成後、バリアメタル２２の形成前に水洗スクラバー処理を行っても良い。水洗スクラバー処理によって、異物とその上に成膜されたバリアメタル２１が層間絶縁膜１９から剥離されるため、写真製版処理を用いることなく、バリアメタル２１の一部を除去することができる。
＜Ｃ－３．効果＞
実施の形態３の炭化珪素半導体装置１０３では、層間絶縁膜１９とソース電極２３との間にバリアメタル２１が形成されない部分があり、このバリアメタル２１が形成されない部分において、バリアメタル２２の表面に段差がある。このように、バリアメタル２２の表面に段差があることにより応力が緩和され、バリアメタル２２の熱処理後のクラック発生を抑制することができる。
＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ－１．構成＞
実施の形態４の炭化珪素半導体装置１０４の平面図は図１に示された通りである。実施の形態４の炭化珪素半導体装置１０４では、センスセル領域である電流センスパッド４ａにおいても、セル領域１と同様の２層のバリアメタル２１，２２が設けられる。
＜Ｄ－２．製造工程＞
図１４は、実施の形態４の炭化珪素半導体装置１０４の製造工程を示すフローチャートである。実施の形態４の炭化珪素半導体装置１０４の製造工程を説明する。
セル領域１の上層のバリアメタル２２を形成するまでの工程（ステップＳ１０１からステップＳ１０６）は、実施の形態１と同様である。セル領域１の上層のバリアメタル２２を形成した後、センスセル領域においてもセル領域１と同様、層間絶縁膜１９上およびコンタクトホール１９ｈ内に下層のバリアメタル２１を形成する（ステップＳ１０６Ａ）。次いで、センスセル領域のバリアメタル２１上に上層のバリアメタル２２を形成する（ステップＳ１０６Ｂ）。その後のステップＳ１０７は実施の形態１と同様である。
＜Ｄ－３．効果＞
セル領域１とセンスセル領域とで閾値電圧が異なると、センスセル領域において正確な電流検出ができないため、適切な過電流保護ができなくなる。しかし、実施の形態４の炭化珪素半導体装置１０４では、センスセル領域においても同一金属からなる２層のバリアメタル２１，２２を備える。すなわち、実施の形態４の炭化珪素半導体装置１０４において、バリアメタル２１，２２は、センスセル領域において層間絶縁膜１９とソース電極２３との間に形成される。これにより、センスセル領域とセル領域１とで閾値電圧を揃えることができ、正確な電流検出が可能になる。
バリアメタル２１，２２の膜厚および材質は、センスセル領域とセル領域１とで異なっていてもよい。しかし、バリアメタル２１，２２の膜厚および材質が、センスセル領域とセル領域１とで同じであれば、センスセル領域およびセル領域１のバリアメタルを同時に形成することができるため、生産性が向上する。
なお、上記の実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴを半導体装置の例として説明した。しかし、ＭＯＳＦＥＴに限らず他の半導体装置であっても炭化珪素層上に素子構造を有するものであれば、上記の実施の形態の構成を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
本開示のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものである。その要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。また各実施の形態は組み合わせることが可能である。
＜Ｅ．実施の形態５＞
本実施の形態は、上述した各実施の形態の炭化珪素半導体装置１０１－１０４を電力変換装置に適用したものである。炭化珪素半導体装置１０１－１０４の適用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５として、三相のインバータに炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用した場合について説明する。
図１５は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図１５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１５０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または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。
電力変換装置２００は、電源１５０と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１５０から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１５に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御する制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１５０から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子には、上述した実施の形態１－４のいずれかの炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
駆動回路２０２は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、駆動回路２０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路２０２は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
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１－４のいずれかの炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１－４の炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用する例を説明したが、実施の形態１－４の炭化珪素半導体装置１０１－１０４の適用は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに実施の形態１－４の炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１－４の炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用することも可能である。
また、実施の形態１－４の炭化珪素半導体装置１０１－１０４を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、または非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
１ セル領域、２ 終端領域、３ パッド領域、４ 制御パッド、４ａ 電流センスパッド、４ｂ ゲートパッド、１１ 炭化珪素基板、１２ 半導体層、１４ エピタキシャル層、１５ ウェル領域、１６ ソース領域、１７ コンタクト領域、１８ ゲート電極、１９ 層間絶縁膜、１９ｈ コンタクトホール、２０，２１，２２ バリアメタル、２３ ソース電極、２４ ドレイン電極、２５ 酸化膜、２６ ゲート酸化膜、２７ フィールド絶縁膜、１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 半導体装置、１５０ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 駆動回路、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (10)

  1. 炭化珪素基板と、
    前記炭化珪素基板上に形成される半導体層と、
    ゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対向するゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜上に形成されるバリアメタルと、
    前記バリアメタルを覆う上面電極と、を備え、
    前記バリアメタルは、第１バリアメタルと第２バリアメタルからなる２層構造であり、
    前記層間絶縁膜側の前記バリアメタルである前記第１バリアメタルは、前記第２バリアメタルと同一の金属からなり、前記第２バリアメタルよりも厚みが小さく、
    前記層間絶縁膜と前記上面電極との間に、前記第２バリアメタルが形成されない部分がある、
    炭化珪素半導体装置。
  2. 前記第１バリアメタルの厚みと前記第２バリアメタルの厚みとの合計は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、
    請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
  3. 前記第１バリアメタルと前記第２バリアメタルとの間に酸化膜をさらに備える、
    請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
  4. 前記第１バリアメタルおよび前記第２バリアメタルの材質はＴｉまたはＴｉＮである、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  5. 前記バリアメタルは、センスセル領域において前記層間絶縁膜と前記上面電極との間に形成される、
    請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  6. 請求項１から請求項５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る、
    電力変換装置。
  7. 炭化珪素基板を準備し、
    前記炭化珪素基板上に半導体層を形成し、
    ゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対向するゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜を形成し、
    前記層間絶縁膜上に第１バリアメタルを形成し、
    前記第１バリアメタル上に、前記第１バリアメタルと同一の金属からなり、前記第１バリアメタルよりも厚い第２バリアメタルを形成し、
    前記第２バリアメタルを覆う上面電極を形成し、
    前記層間絶縁膜と前記上面電極との間に、前記第２バリアメタルが形成されない部分がある、
    炭化珪素半導体装置の製造方法。
  8. 前記第１バリアメタルと前記第２バリアメタルの厚みの合計は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、
    請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  9. 前記第１バリアメタル上に酸化膜をさらに形成し、
    前記第２バリアメタルの形成は、前記酸化膜を介して前記第１バリアメタル上に前記第２バリアメタルを形成することである、
    請求項７または請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  10. 前記第１バリアメタルおよび前記第２バリアメタルの材質はＴｉまたはＴｉＮである、
    請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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