JPWO2011161721A1 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、同文献の上記構造においては、その図2に示されている様に、MOSFETのPウェルであるPベースが、バックゲートを介して、ソース電極に電気的に接続されている。
特許文献2に示されるような電力用半導体装置の場合、その従来例の説明に記載されているようにソース電極とフィールドプレートとは電気的に接続されているので、例えば図2(C)に示される断面において、ゲートパッド下のPウェルに内に流れ込んだ変位電流は、ゲートパッド下のPウェル内をMOSFETセル方向からフィールドプレートに接続されているコンタクトホールに向けて流れ、フィールドプレートを介してソース電極に流入する。
この電位は、変位電流が大きくなる程大きくなり、上記ドレイン電圧Vの時間tに対する変動dV/dtが大きくなる程大きくなる。
本発明の実施の形態1においては、電流センサを内蔵した電力用半導体装置の一例として、縦型のn型チャネル炭化珪素MOSFETを主としたものを用いて説明する。また、下記各実施の形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、半導体の導電型については、その逆であっても構わない。
また、上面から見て外周ウェル領域46のさらに外側の炭化珪素の領域には、p型の接合終端構造(Junction Termination Extension:JTE)領域40が形成されている。
図3および図4において、n型で低抵抗の炭化珪素で構成される基板20の表面上に、n型の炭化珪素で構成されるドリフト層21が形成されている。センスパッド13の下方のドリフト層21の表層部の一部には、p型の炭化珪素で構成される複数のセンスセルウェル領域42が形成されている。センスセルウェル領域42から断面横方向に所定の間隔をおいて、ドリフト層21の表層部には、p型炭化珪素のセンスセル外周ウェル領域43が形成されている。
センスセル外周ウェル領域43から断面横方向に所定の間隔をおいて、ドリフト層21の表層部には、p型炭化珪素のセンスパッドウェル領域44が形成されている。さらに、センスパッドウェル領域44から所定の間隔をおいて、ドリフト層21の表層部には、センスパッド境界ウェル領域45が形成されている。
本実施の形態の電力用半導体装置を上面から見てメインセルウェル領域41が多数形成されているメインセル領域の外側(図4の右側)のドリフト層21の表層部には、最外周のメインセルウェル領域41から所定の間隔をおいて、p型炭化珪素の外周境界ウェル領域47が形成されている。また、外周境界ウェル領域47のさらに外側(図4の右側)のドリフト層21の表層部には、外周境界ウェル領域47から所定の間隔をおいて、p型炭化珪素の外周ウェル領域46が形成されている。外周ウェル領域46のさらに外側のドリフト層21の表層部には、p型炭化珪素のJTE領域40が形成されている。さらに、図2では図示して説明しなかったが、JTE領域40の外側(図4の右側)には、所定の間隔をおいて、n型炭化珪素のフィールドストッパー領域83が形成されている。
センスパッドウェル領域44、外周ウェル領域46およびJTE領域40の上部には、フィールド絶縁膜31が形成されており、メインセルウェル領域41、センスセルウェル領域42、センスセル外周ウェル領域43、センスパッド境界ウェル領域45、外周境界ウェル領域47の上部には、ゲート絶縁膜30が形成されている。
また、フィールド絶縁膜31上のゲート電極50とゲート配線12またはゲートパッド11を接続するためのゲートコンタクトホール68が、層間絶縁膜32を貫通して形成されている。
まず、n型で低抵抗の炭化珪素半導体の基板20上の表面(第1の主面)上に化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により1×1013cm-3〜1×1018cm-3のn型の不純物濃度、4〜200μmの厚さの炭化珪素で構成されるドリフト層21をエピタキシャル成長する。炭化珪素半導体の基板20は、第1の主面の面方位が(0001)面で4Hのポリタイプを有しc軸方向に対して8°以下に傾斜されているものを用いたが、他の面方位、ポリタイプ、傾斜角度であってもよく、また、傾斜していなくてもよい。
ただし、ドリフト層21の最表面近傍に限っては、MOSFETのチャネル領域における導電性を高めるために、各ウェル領域41〜47の各々のp型不純物濃度がドリフト層21のn型不純物濃度より低くなってもよい。
ゲート絶縁膜30の膜厚としては、30nm以上300nm以下であれば良く、より好ましくは50nm以上150nm以下であればよい。なお、この膜厚値は、どの程度のゲート電圧及びゲート電界でMOSFETを駆動(スイッチング動作)させるかに依存し、好ましくはゲート電界(ゲート絶縁膜30に印加される電界)として3MV/cm以下の大きさであればよい。
ここで、後述のゲートコンタクトホール68を同時に形成して、製造工程を簡略化してもよい。
このような大きな電位が発生するウェル領域の上にゲート絶縁膜30を介してゲート電極50が形成されていると、MOSFETをオフ状態にして電圧が略0Vになっているゲート電極50と大きな電位が発生する箇所との間のゲート絶縁膜30が絶縁破壊する場合がある。
このような、1kV以上の高電圧領域動作で例えば10V/nsec以上の高速スイッチングという、従来のSi素子では無かった動作環境において、特許文献1の例で説明したようなスイッチング時の変位電流によりPウェルに発生する電圧は、より顕著になる。
図8の断面図の構造にすることにより、変位電流により発生する電圧の影響をフィールド絶縁膜31端部で低減することができる。
さらに、センスパッド13とゲート配線12とを分離し、ゲートパッド11に比較してセンスパッド13の面積が小さい場合には、図10にその平面透視図を示すように、センスパッド13の下部とゲート配線12の下部でフィールド絶縁膜31が互いにつながっていてもよい。
図13は、本発明の実施の形態2の電力用半導体装置を上面から透視して見た平面図である。また、図14は、図13の平面図のC−C’部分の断面を模式的に表した本実施の形態における電力用半導体装置の断面模式図である。
本実施の形態の電力用半導体装置においては、図13および図14に示すように、実施の形態1の電力用半導体装置のp型のセンスパッドウェル領域44とp型のセンスパッド境界ウェル領域45とがつながって形成されており、センスパッドウェルコンタクトホール64とセンスパッド境界ウェルコンタクトホール65とが近接して形成されている。また、センスパッドウェル領域44は、ソースパッド10に電気的に接続されている。その他の部分については、実施の形態1で説明したものと同様であるので説明を省略する。
なお、実施の形態1の電力用半導体装置と同様に、外周ウェル領域46と外周境界ウェル領域47とがつながって形成されていてもよい。
Claims (6)
- 第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の第1の主面に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層の一部に複数並んで形成された第2導電型のメインセルウェル領域と、
前記ドリフト層の表層の一部に前記メインセルウェル領域から離間して複数並んで形成された第2導電型のセンスセルウェル領域と、
前記センスセルウェル領域の周囲に前記センスセルウェル領域および前記メインセルウェル領域から離間して形成され、前記メインセルウェル領域および前記センスセルウェル領域より面積の大きな第2導電型のセンスパッドウェル領域と、
前記センスセルウェル領域および前記メインセルウェル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記センスパッドウェル領域の上に形成された前記ゲート絶縁膜より膜厚の大きなフィールド絶縁膜と、
前記フィールド絶縁膜を貫通して前記センスパッドウェル領域の上に形成されたセンスパッドウェルコンタクトホールと前記ゲート絶縁膜を貫通して前記メインセルウェル領域の上に形成されたソースコンタクトホールとを介して前記センスパッドウェル領域と前記メインセルウェル領域とを電気的に接続するソースパッドと、
前記ゲート絶縁膜を貫通して前記センスセルウェル領域の上に形成されたセンスソースコンタクトホールを介して前記センスセルウェル領域に電気的に接続されたセンスパッドと、
前記メインセルウェル領域および前記センスセルウェル領域上に前記ゲート絶縁膜を介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、
前記半導体基板の第2の主面に形成されたドレイン電極と
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。 - 複数のセンスセルウェル領域とセンスパッドウェル領域との間に前記センスセルウェル領域および前記センスパッドウェル領域から離間して形成された第2導電型のセンスセル外周ウェル領域と、
前記センスセル外周ウェル領域上に形成され、センスパッドと前記センスセル外周ウェル領域とを電気的に接続するセンスセル外周ウェルコンタクトホールと
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。 - センスパッドウェル領域の周囲に形成された第2導電型のセンスパッド境界ウェル領域と、
前記センスパッド境界ウェル領域上に形成され、ソースパッドと前記センスパッド境界ウェル領域とを電気的に接続するセンスパッド境界ウェルコンタクトホールと
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。 - センスパッドウェル領域とセンスパッド境界ウェル領域とは、ドリフト層内でつながっていることを特徴とする請求項3に記載の電力用半導体装置。
- 複数の前記メインセルウェル領域を囲むようにドリフト層に形成された第2導電型の外周ウェル領域と、
前記外周ウェル領域上にフィールド絶縁膜を貫通して設けられ、前記外周ウェル領域とソースパッドとを電気的に接続する外周ウェルコンタクトホールと
を備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 - ドリフト層は、炭化珪素で構成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
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