JPWO2016084131A1 - Semiconductor device and power conversion device - Google Patents

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Abstract

ゲート絶縁膜における耐圧に優れる半導体装置を提供する。第1導電型の半導体基板と、半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備える半導体装置である。この半導体装置の単位セルの其々は、第2導電型のベース領域と、ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、ベース領域に接して形成されるベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有する。そして、単位セルのベース領域から、他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展する第2導電型の電界緩和領域を有している。Provided is a semiconductor device having a high breakdown voltage in a gate insulating film. A semiconductor device comprising: a first conductivity type semiconductor substrate; a first conductivity type drift region formed on the semiconductor substrate; and a plurality of unit cells periodically formed at intervals in a surface layer of the drift region. . Each of the unit cells of the semiconductor device is formed in contact with the base region, the base region of the second conductivity type, the source region of the first conductivity type formed in the base region so as to be surrounded by the base region. And a second contact base contact region having a higher impurity concentration than the base region. And it has the electric field relaxation area | region of the 2nd conductivity type extended in the range which is not connected with the base area | region of another unit cell from the base area | region of a unit cell.

Description

本発明は、半導体装置とそれを用いた電力変換装置、およびその応用に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, a power conversion device using the semiconductor device, and an application thereof.

炭化珪素(SiC)は、シリコンと比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界も1桁程度大きいという特徴がある。このため、次世代のパワーデバイスとして有望視され、ダイオードやトランジスタなど様々なデバイスの研究がなされている。特にSiC−MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)は、高耐圧、低損失、高速スイッチングが理論的に可能な素子であり、現在、主流となっているSi−IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を置き換えることで電力損失を大幅に低減できると期待され、SiC−MOSFETの研究開発が盛んに行われている。   Silicon carbide (SiC) is characterized by a large band gap and a dielectric breakdown electric field that is about one digit larger than silicon. For this reason, it is regarded as a promising next-generation power device, and various devices such as diodes and transistors have been studied. In particular, SiC-MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) are elements that can theoretically achieve high withstand voltage, low loss, and high-speed switching. ) Is expected to significantly reduce power loss, and research and development of SiC-MOSFETs are actively conducted.

SiCはSiに比べてバンドギャップが広く、高い絶縁破壊強度を有するが、その分SiC−MOSFETやSiC-IGBTではゲート絶縁膜にかかる電界が問題となる。このため、ゲート絶縁膜に掛かる電界に偏りが無い様、対称性の良い構造にする事が求められる。SiC-DMOSFET(Double-Diffused MOSTET)では、電流密度向上を目的に、チャネル幅(W)を長くすることが求められる。チャネル幅(W)を長く出来、対称性の良い構造として、p型ベース領域を矩形、六角形にして並べる構造が良く知られている。以下では、矩形のp型ベース領域を正方格子状に並べて配置した構造をBOX構造と称す。   SiC has a wider band gap than Si and has a high dielectric breakdown strength. However, in SiC-MOSFETs and SiC-IGBTs, the electric field applied to the gate insulating film becomes a problem. For this reason, a structure with good symmetry is required so that the electric field applied to the gate insulating film is not biased. In SiC-DMOSFET (Double-Diffused MOSTET), it is required to increase the channel width (W) for the purpose of improving current density. As a structure having a long channel width (W) and good symmetry, a structure in which p-type base regions are arranged in a rectangular or hexagonal shape is well known. Hereinafter, a structure in which rectangular p-type base regions are arranged in a square lattice pattern is referred to as a BOX structure.

図15はBOX構造における従来の一般的なSiC−DMOSFETのセルのパターン配置を示す上面図である。p型ベース領域10、ソース領域20、ベースコンタクト領域11の位置関係を示している。ここで(単位)セルとは、少なくともベース領域10とソース領域20を備える単位をいうものとする。これらのセルは、設計上は同一形状を有し、等間隔かつ規則的に配列されている。ただし、プロセス上の制約により、形状に微差を生じる場合はある。   FIG. 15 is a top view showing a cell pattern arrangement of a conventional general SiC-DMOSFET in a BOX structure. The positional relationship among the p-type base region 10, the source region 20, and the base contact region 11 is shown. Here, the (unit) cell means a unit including at least the base region 10 and the source region 20. These cells have the same shape in design, and are regularly arranged at regular intervals. However, there may be a slight difference in shape due to process restrictions.

図16は図15のA−A’における断面図である。図16において、1は基板,2はドリフト層,10はベース領域,11はベースコンタクト領域,20はソース領域,21はドレイン領域,32はゲート絶縁膜,33は層間膜,40はゲート材料膜,41はソースベースコンタクト共通電極,42はドレインコンタクト電極,51はソースベース共通コンタクト、52はドレインコンタクトである。   16 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. In FIG. 16, 1 is a substrate, 2 is a drift layer, 10 is a base region, 11 is a base contact region, 20 is a source region, 21 is a drain region, 32 is a gate insulating film, 33 is an interlayer film, and 40 is a gate material film. , 41 is a source-base contact common electrode, 42 is a drain contact electrode, 51 is a source-base common contact, and 52 is a drain contact.

図16に示すようなSiC−DMOSFETは、n+型の炭化珪素基板1上に、n−型ドリフト層2とp型ベース領域10をエピタキシャル成長やイオン注入によって形成し、n+型のソース領域20とp+型のベースコンタクト領域11とn+型のドレイン領域21をイオン注入によって形成する。この様な炭化珪素基板1に対し、熱酸化法や堆積酸化膜を利用してゲート絶縁膜32を形成し、ゲート絶縁膜32を介してゲート電極を形成する。更に、n+型のソース領域20とp+型のベースコンタクト領域11に接するように、ソースベース共通コンタクト電極41と、ドレインコンタクト電極42と、層間膜33、表面保護膜を形成する事で、SiC−DMOSFETが完成する。   In the SiC-DMOSFET as shown in FIG. 16, an n − type drift layer 2 and a p type base region 10 are formed on an n + type silicon carbide substrate 1 by epitaxial growth or ion implantation, and an n + type source region 20 and p + A type base contact region 11 and an n + type drain region 21 are formed by ion implantation. A gate insulating film 32 is formed on such a silicon carbide substrate 1 using a thermal oxidation method or a deposited oxide film, and a gate electrode is formed via the gate insulating film 32. Further, a source-base common contact electrode 41, a drain contact electrode 42, an interlayer film 33, and a surface protective film are formed so as to be in contact with the n + -type source region 20 and the p + -type base contact region 11, thereby forming a SiC − A DMOSFET is completed.

図17は従来の縦型炭化珪素半導体装置の平面図であり、電界集中の位置を点線の円で示している。DMOSFETがオフの時、即ちゲート電極にオン電圧以下の電圧が印加されており、ドレインコンタクト電極に電圧が印加されている場合、図17に示すように、BOX構造においては、セルに囲まれたJFET(接合型電界効果トランジスタ)領域の中心に電界が集中し、ゲート絶縁膜に掛かる電界強度が高くなる事が知られている。このゲート絶縁膜に掛かる電界を緩和することを目的に、特許文献1や特許文献2に示すような電界集中領域にp型やp+型の電界緩和領域を追加する技術がある。   FIG. 17 is a plan view of a conventional vertical silicon carbide semiconductor device, and the position of electric field concentration is indicated by a dotted circle. When the DMOSFET is off, that is, when a voltage lower than the on-voltage is applied to the gate electrode and a voltage is applied to the drain contact electrode, the BOX structure is surrounded by cells as shown in FIG. It is known that the electric field concentrates at the center of the JFET (junction field effect transistor) region, and the electric field strength applied to the gate insulating film increases. For the purpose of relaxing the electric field applied to the gate insulating film, there is a technique of adding a p-type or p + -type electric field relaxation region to the electric field concentration region as shown in Patent Document 1 or Patent Document 2.

特開2009−094314JP2009-094314 特開2013−247252JP2013-247252A

SiC結晶を電子デバイス用途で用いるためには、異なるポリタイプの混在がないSiC単結晶のエピタキシャル成長技術が重要となる。品質の良いエピタキシャル成長技術としてステップフロー成長法がよく用いられている。ステップフロー成長とは、例えば{0001}面から数度(例えば4度、8度)のオフセット角(以下、オフ角と称す)を導入した面に対して、エピタキシャル成長を行う方法である。例えば図16の構成では、基板1表面にオフ角を導入し、その上にエピタキシャル成長を行う。   In order to use an SiC crystal for an electronic device, an epitaxial growth technique of an SiC single crystal that does not include different polytypes is important. The step flow growth method is often used as a high quality epitaxial growth technique. Step flow growth is a method of performing epitaxial growth on a surface into which an offset angle (hereinafter referred to as an off angle) of, for example, several degrees (for example, 4 degrees or 8 degrees) is introduced from the {0001} plane. For example, in the configuration of FIG. 16, an off angle is introduced into the surface of the substrate 1 and epitaxial growth is performed thereon.

図18はステップフロー成長を用いたエピタキシャルウェハの表面形状を示す断面図である。図18A、18Bに示すようにこのステップフロー成長を用いたエピタキシャルウェハには原理的にオフ角が存在しており、{0001}面はウェハ表面1800に対してオフ角の分だけ傾いた左右非対称な結晶となっている。ウェハ表面(主面)1800は幾何学的には、基板表面の最も低い点あるいは高い点を結んだ平面と考えることができる。なお、図18は原理図のため、実際の製品では面や角が、厳密な平面や角を構成していない場合もある。実質的には、図18に示すウェハ表面の微細な凹凸を平均化あるいは無視した面と考えることができる。便宜的には、ウェハを図16に示すような板(円板)として把握した場合、その表面と考えればよい。   FIG. 18 is a cross-sectional view showing the surface shape of an epitaxial wafer using step flow growth. As shown in FIGS. 18A and 18B, an epitaxial wafer using this step flow growth has an off-angle in principle, and the {0001} plane is asymmetric with respect to the wafer surface 1800 by the off-angle. Crystal. Wafer surface (principal surface) 1800 can be considered geometrically as a plane connecting the lowest point or the highest point of the substrate surface. Note that FIG. 18 is a principle diagram, and in an actual product, surfaces and corners may not form strict planes and corners. In practice, it can be considered that the fine irregularities on the wafer surface shown in FIG. 18 are averaged or ignored. For convenience, when a wafer is grasped as a plate (disk) as shown in FIG.

本明細書では、ウェハ表面において、相対的に広い面積を有する面(図18では{0001}面)を階段の踏み面に見立てて、階段の上段側をアップステップ側、下段側をダウンステップ側と呼ぶ。すなわち、相対的に広い面積を有する面が向いている方向がアップステップ側になる。更に、アップステップ側からダウンステップ側に向かう方向をオフ方向と定義する。   In this specification, on the wafer surface, a surface having a relatively large area ({0001} surface in FIG. 18) is regarded as a step surface of the staircase, and the upper step side of the staircase is the upstep side and the lower step side is the downstep side. Call it. That is, the direction in which the surface having a relatively large area faces is the upstep side. Furthermore, the direction from the up-step side to the down-step side is defined as the off direction.

図19は,発明者らが行った2次元モンテカルロシミュレーションによる,アルミニウムイオン(Al+)の4H−SiC基板上のエピタキシャル層への注入の計算機実験の結果である。図示されているように、アルミニウムイオンは、ウェハ表面に垂直に入射することとした。オフ角に起因する結晶の非対称を考慮して、イオン注入プロファイルの計算をおこなうと、イオン注入が深くなるにつれて、アップステップ側よりもダウンステップ側のプロファイルの方が結晶内に広がる事が判った。これは、エピタキシャル層の表面がオフ角をもつため,注入時にAl+イオンが受ける散乱の影響が[11−20]方向と[−1−120]方向とで異なるためである。このAlの分布の拡がりの違いのために,[11−20]方向の方が[−1−120]方向よりもマスクエッジの下方でのAlの濃度分布の曲率が大きくなり、注入後のAlの拡散範囲が広い。これは、ゲート酸化膜にかかる電界の電界緩和効果がセルのアップステップ側よりもダウンステップ側の方が大きい事をしめす。   FIG. 19 shows the result of a computer experiment of implanting aluminum ions (Al +) into an epitaxial layer on a 4H—SiC substrate by a two-dimensional Monte Carlo simulation conducted by the inventors. As shown in the figure, the aluminum ions are incident on the wafer surface perpendicularly. When calculating the ion implantation profile in consideration of the asymmetry of the crystal due to the off angle, it was found that the profile on the down-step side spreads more in the crystal than the up-step side as the ion implantation becomes deeper. . This is because the surface of the epitaxial layer has an off-angle, so that the influence of scattering that Al + ions receive during implantation differs between the [11-20] direction and the [−1-120] direction. Due to the difference in the distribution of Al distribution, the curvature of the Al concentration distribution below the mask edge is larger in the [11-20] direction than in the [-1-120] direction, and the Al after implantation is increased. Wide diffusion range. This indicates that the electric field relaxation effect of the electric field applied to the gate oxide film is greater on the down step side than on the up step side of the cell.

図20は,上記検討を踏まえて検討した縦型炭化珪素半導体装置の電界集中位置を示す平面図である。ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる点は、例えば図20に示すBOX構造においては、セルに囲まれたJFET領域の中心からダウンステップ方向へシフトする。ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる点がダウンステップ方向へシフトする事により、従来構造ではゲート絶縁膜における耐圧の低下や、設計との相違が生じる。   FIG. 20 is a plan view showing the electric field concentration position of the vertical silicon carbide semiconductor device examined based on the above examination. For example, in the BOX structure shown in FIG. 20, the electric field applied to the gate oxide film shifts from the center of the JFET region surrounded by the cells in the down-step direction. By shifting the point where the electric field applied to the gate oxide film becomes stronger in the down-step direction, the breakdown voltage in the gate insulating film is reduced in the conventional structure, and the design is different.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は耐圧特性に配慮した半導体装置、特にSiC−DMOSFET及びSiC−IGBTを提供する事である。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device, particularly a SiC-DMOSFET and a SiC-IGBT, in consideration of the breakdown voltage characteristics.

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その例を以下に挙げる。   The present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems. Examples thereof are given below.

本発明の一つの観点は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備える半導体装置である。この半導体装置の単位セルの其々は、第2導電型のベース領域と、ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、ベース領域に接して形成されるベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有する。そして、単位セルのベース領域から、他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展する第2導電型の電界緩和領域を有している。このような構成により、電界緩和領域の占める面積を小さく出来、チャネル領域に与える影響を少なく出来る。また、ソース領域、及びベースコンタクト領域上に、それぞれの領域の少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、ソース領域、ベース領域、ドリフト領域、及び電界緩和領域上に、それぞれの領域の少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜と、を備えることが望ましい。   One aspect of the present invention is a semiconductor substrate of a first conductivity type, a drift region of the first conductivity type formed on the semiconductor substrate, and a plurality of periodically formed with a gap in the surface layer of the drift region. It is a semiconductor device provided with a unit cell. Each of the unit cells of the semiconductor device is formed in contact with the base region, the base region of the second conductivity type, the source region of the first conductivity type formed in the base region so as to be surrounded by the base region. And a second contact base contact region having a higher impurity concentration than the base region. And it has the 2nd conductivity type electric field relaxation area | region extended in the range which is not connected with the base area | region of another unit cell from the base area | region of a unit cell. With such a configuration, the area occupied by the electric field relaxation region can be reduced, and the influence on the channel region can be reduced. Further, on the source region and the base contact region, on the first external connection electrode formed so as to cover at least a part of each region, and on the source region, the base region, the drift region, and the electric field relaxation region, It is desirable to include a gate insulating film formed so as to cover at least a part of each region.

なお、単位セルの形状は便宜的にベース領域の形状で定義することができ、ドリフト領域の表層直上から見た形状で、矩形、正方形、あるいは六角形のように表現することができる。   For convenience, the shape of the unit cell can be defined by the shape of the base region, and can be expressed as a rectangle, a square, or a hexagon as viewed from directly above the surface layer of the drift region.

好ましい構成としては、相互に最も近接した単位セルの組でセルのグループを定義した場合、当該単位セルのグループの幾何学的重心位置よりオフ方向側にシフトした点をカバーするように、第2導電型の電界緩和領域が伸展している。必要な部分に電界緩和領域を形成することにより、さらにチャネル領域に与える影響を少なく出来る。相互に最も近接した単位セルの組とは、例えば単位セルが正方形で正方格子状の配列の場合には、互いに辺を接する4つの単位セルで構成される。また、単位セルが六角形で六角格子状の配列の場合には、互いに辺を接する3つの単位セルで構成される。   As a preferred configuration, when a group of cells is defined by a set of unit cells closest to each other, the second cell is covered so as to cover a point shifted from the geometric center of gravity of the unit cell group to the off-direction side. The conductivity type electric field relaxation region extends. By forming the electric field relaxation region at a necessary portion, the influence on the channel region can be further reduced. The set of unit cells closest to each other is composed of, for example, four unit cells whose sides are in contact with each other when the unit cells are square and arranged in a square lattice pattern. When the unit cell is a hexagonal hexagonal lattice array, the unit cell is composed of three unit cells that are in contact with each other.

また、好ましい態様としては、単位セルの角部のうち、オフ方向側を向いていない角部の少なくとも一つから、シフトした位置に向けて、第2導電型の電界緩和領域を伸展すれば、さらに電界緩和領域を縮小できるので、チャネル領域に与える影響をさらに少なく出来る。   Further, as a preferred embodiment, if the electric field relaxation region of the second conductivity type is extended from at least one of the corner portions of the unit cell not facing the off direction side toward the shifted position, Furthermore, since the electric field relaxation region can be reduced, the influence on the channel region can be further reduced.

本発明の半導体装置の他の側面は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備える。単位セルの其々は、第2導電型のベース領域と、ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有する。そして、単位セルのベース領域から伸展する第2導電型の電界緩和領域と、ソース領域、及びベースコンタクト領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、ソース領域、ベース領域、ドリフト領域、及び電界緩和領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜とを備える。ここで、相互に最も近接した単位セルの組でセルのグループを定義した場合、当該単位セルのグループの幾何学的重心位置よりオフ方向側にシフトした点に向けて、第2導電型の電界緩和領域が伸展している。このように、必要な部分に電界緩和領域を形成することにより、さらにチャネル領域に与える影響を少なく出来る。   The other side surface of the semiconductor device of the present invention is formed periodically with a gap between the first conductivity type semiconductor substrate, the first conductivity type drift region formed on the semiconductor substrate, and the surface layer of the drift region. A plurality of unit cells. Each of the unit cells includes a second conductivity type base region, a first conductivity type source region formed to be surrounded by the base region in the base region, and the base region formed in contact with the base region. And a base contact region of a second conductivity type having a higher impurity concentration. A first external connection electrode formed on the second conductivity type electric field relaxation region extending from the base region of the unit cell, the source region, and the base contact region so as to cover at least a part of each region. And a gate insulating film formed on the source region, the base region, the drift region, and the electric field relaxation region so as to cover at least a part of each region. Here, when a group of cells is defined by a set of unit cells closest to each other, the electric field of the second conductivity type is directed toward a point shifted to the off direction side from the geometric center of gravity of the group of unit cells. Mitigation area is expanding. In this manner, by forming the electric field relaxation region in a necessary portion, the influence on the channel region can be further reduced.

また、単位セルのベース領域から、他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で第2導電型の電界緩和領域を伸展させる構成をとることもできる。これにより、さらに電界緩和領域面積を縮小し、さらにチャネル領域に与える影響を少なく出来る。   In addition, the second conductivity type electric field relaxation region can be extended from the base region of the unit cell in a range not connected to the base region of another unit cell. Thereby, the area of the electric field relaxation region can be further reduced, and the influence on the channel region can be reduced.

また、単位セルのベース領域から、他の単位セルのベース領域と接続するように第2導電型の電界緩和領域を伸展させる構成をとることもできる。このようにすると、ベース領域の電位が固定されやすく、高信頼なデバイスが実現できる。   Further, the second conductivity type electric field relaxation region can be extended from the base region of the unit cell so as to be connected to the base region of another unit cell. In this way, the potential of the base region can be easily fixed, and a highly reliable device can be realized.

以上の半導体装置において、プロセス的には第2導電型の電界緩和領域の不純物濃度が、ベース領域またはベースコンタクト領域と、共通マスクを用いて形成できる範囲であると製造効率がよく、好ましい態様である。   In the above semiconductor device, in terms of process, if the impurity concentration of the electric field relaxation region of the second conductivity type is in a range that can be formed using the base region or the base contact region and the common mask, the manufacturing efficiency is good, and in a preferable mode. is there.

また、本発明の他の側面は、上記の半導体装置をスイッチング素子として用いた電力変換装置である。上記の半導体装置を素子としてインバータやコンバータを構成することにより、電力変換装置の高性能化を図ることができる。さらに本発明の他の側面として、当該電力変換装置用いた3相モータシステムは、上記スイッチング素子により高性能化を図ることができる。さらに本発明の他の側面は、上記モータシステムを搭載した自動車や鉄道車両等の運搬装置である。   Another aspect of the present invention is a power conversion device using the semiconductor device as a switching element. By configuring an inverter or a converter using the semiconductor device as an element, it is possible to improve the performance of the power conversion device. Furthermore, as another aspect of the present invention, a three-phase motor system using the power converter can achieve high performance by the switching element. Furthermore, another aspect of the present invention is a transportation device such as an automobile or a railway vehicle equipped with the motor system.

本発明の半導体装置によれば、ゲート絶縁膜における耐圧に優れる半導体装置を提供することができる。   According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having an excellent breakdown voltage in the gate insulating film.

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

実施の形態1における炭化珪素半導体装置の平面図である。1 is a plan view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の平面図である。1 is a plan view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態1における炭化珪素半導体装置の断面図である。1 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment. 実施の形態2における炭化珪素半導体装置の平面図である。FIG. 6 is a plan view of a silicon carbide semiconductor device in a second embodiment. 実施の形態2における炭化珪素半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a second embodiment. 実施の形態2における炭化珪素半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a second embodiment. 実施の形態3における炭化珪素半導体装置の平面図である。FIG. 7 is a plan view of a silicon carbide semiconductor device in a third embodiment. 実施の形態3における炭化珪素半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a third embodiment. 実施の形態3における炭化珪素半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in a third embodiment. 実施の形態3および4における炭化珪素半導体装置の断面図である。FIG. 6 is a cross sectional view of a silicon carbide semiconductor device in the third and fourth embodiments. 実施の形態4における炭化珪素半導体装置の平面図である。FIG. 7 is a plan view of a silicon carbide semiconductor device in a fourth embodiment. 実施の形態5における炭化珪素半導体装置の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a silicon carbide semiconductor device in a fifth embodiment. 本発明の実施例の電力変換装置(インバータ)の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device (inverter) of the Example of this invention. 本発明の実施例の電力変換装置(インバータ)の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device (inverter) of the Example of this invention. 本発明の実施例の電気自動車の構成図である。It is a block diagram of the electric vehicle of the Example of this invention. 本発明の実施例の昇圧コンバータの回路図である。1 is a circuit diagram of a boost converter according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例の鉄道車両の構成図である。1 is a configuration diagram of a railway vehicle according to an embodiment of the present invention. 従来の縦型炭化珪素半導体装置の平面図である。It is a top view of the conventional vertical silicon carbide semiconductor device. 従来の縦型炭化珪素半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional vertical silicon carbide semiconductor device. 従来の縦型炭化珪素半導体装置の平面図である。It is a top view of the conventional vertical silicon carbide semiconductor device. ステップフロー成長を用いた4H−SiCエピタキシャルウェハ表面形状を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the 4H-SiC epitaxial wafer surface shape using step flow growth. ステップフロー成長を用いた4H−SiCエピタキシャルウェハ表面形状を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the 4H-SiC epitaxial wafer surface shape using step flow growth. アルミニウムイオンの4H−SiC基板上のエピタキシャル層への注入の計算機実験の結果を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the result of the computer experiment of the injection | pouring to the epitaxial layer on a 4H-SiC board | substrate of aluminum ion. 本発明で検討した縦型炭化珪素半導体装置の電界集中位置を示す平面図である。It is a top view which shows the electric field concentration position of the vertical silicon carbide semiconductor device examined by this invention.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。特に異なる実施の形態間で機能が対応するものについては、形状、不純物濃度や結晶性等で違いがあっても同じ符号を付すこととする。また、図は説明の単純化のために、主要部位の構成のみを示しており、図の縮尺や寸法は実際のものと合わせていない。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted. In particular, for functions corresponding to different embodiments, the same reference numerals are given even if there are differences in shape, impurity concentration, crystallinity, and the like. Further, for simplification of the description, the drawing shows only the configuration of the main part, and the scale and dimensions of the drawing are not matched with the actual ones. For this reason, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, and the like disclosed in the drawings and the like.

本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。   The present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Those skilled in the art will readily understand that the specific configuration can be changed without departing from the spirit or the spirit of the present invention.

本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。   In the present specification and the like, notations such as “first”, “second”, and “third” are attached to identify the components, and do not necessarily limit the number or order. In addition, a number for identifying a component is used for each context, and a number used in one context does not necessarily indicate the same configuration in another context. Further, it does not preclude that a component identified by a certain number also functions as a component identified by another number.

実施の形態3から実施の形態5の半導体装置を示す平面図において、最外周のセルよりも外側のセルと接続する電界緩和領域は記載を省略した。実施の形態1から実施の形態5では、いわゆるMOS(Metal−Oxide−Semiconductor)構造を備えた炭化珪素半導体装置について説明する。各平面図は簡単のためにイオン注入領域のみ示しているが、実際のデバイス構造では、ソースコンタクト、ドレインコンタクト、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソースベースコンタクト共通電極、ドレインコンタクト電極、表面保護膜等はいうまでも無く存在する。下記では、注入イオンの導電型をn-型,n型,n+型,p-型,p型,p+型と称すが、n-型,n型,n+型としたい領域へ注入する不純物は、例えば窒素(N)イオンまたはリン(P)を、p-型,p型,p+型としたい領域へ注入する不純物は、例えばボロン(B)またはアルミニウム(Al)イオンを用いる。   In the plan views showing the semiconductor devices of the third to fifth embodiments, the description of the electric field relaxation region connected to the outer cell than the outermost cell is omitted. In the first to fifth embodiments, a silicon carbide semiconductor device having a so-called MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) structure will be described. Each plan view shows only the ion implantation region for simplicity, but in an actual device structure, a source contact, drain contact, gate insulating film, gate electrode, source base contact common electrode, drain contact electrode, surface protective film, etc. Needless to say, it exists. In the following, the conductivity type of implanted ions is referred to as n-type, n-type, n + -type, p-type, p-type, p + -type, but the impurity implanted into the region desired to be n-type, n-type, n + -type is For example, boron (B) or aluminum (Al) ions are used as an impurity for injecting nitrogen (N) ions or phosphorus (P) into regions desired to be p-type, p-type, and p + -type.

実施の形態1Embodiment 1

[半導体装置]
図1Aは、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面(上面)図である。
[Semiconductor device]
FIG. 1A is a plan (top) view of an ion implantation region showing a cell structure of a SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment.

図2Kは、図1のA―A’B―B’断面図である。   2K is a cross-sectional view taken along the line A-A'B-B 'of FIG.

図1A、図2Kにおいて、炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETは、以下の特徴を有する。   1A and 2K, a SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device has the following characteristics.

n型の炭化珪素半導体基板1と、半導体基板1の主面上に形成されたn型のドリフト領域2とを有する。ドリフト領域2の表層には間隔を開けて形成された、例えば正方格子状に配列された複数のp型のベース領域10を有する。ここで、p型のベース領域10は例えば正方形の形状である。p型のベース領域10の配列と形状は、矩形格子、矩形形状でもよい。なお、p型のベース領域10を構成する辺は、オフ方向と略並行または略垂直である。   n-type silicon carbide semiconductor substrate 1 and n-type drift region 2 formed on the main surface of semiconductor substrate 1. A surface layer of the drift region 2 has a plurality of p-type base regions 10 formed at intervals, for example, arranged in a square lattice pattern. Here, the p-type base region 10 has, for example, a square shape. The arrangement and shape of the p-type base region 10 may be a rectangular lattice or a rectangular shape. Note that the sides constituting the p-type base region 10 are substantially parallel to or substantially perpendicular to the off direction.

ベース領域10において表層にそのベース領域10に囲まれるように形成されるn+型のソース領域20と、ベース領域10において表層にそのベース領域10に囲まれるように、且つソース領域20以外の領域に形成されるベース領域10よりも高不純物濃度のp+型のベースコンタクト領域11を有する。p+型のベースコンタクト領域11とは、ベース領域10に電気的な接続を取るための領域である。   In the base region 10, an n + -type source region 20 formed on the surface layer so as to be surrounded by the base region 10, and in the base region 10, a region other than the source region 20 so as to be surrounded by the base region 10 on the surface layer The p + -type base contact region 11 having a higher impurity concentration than the base region 10 formed in FIG. The p + -type base contact region 11 is a region for establishing electrical connection with the base region 10.

本実施の形態では、p+型のベースコンタクト領域11は、ソース領域20に囲まれるように形成したが、p+型のベースコンタクト領域11は、ベース領域10にさえ囲まれていれば良いため、必ずしもソース領域20に囲まれるように形成する必要は無い。なお、p+型のベースコンタクト領域11をソース領域20に囲まれるように形成した場合には、ベース領域10のコンタクトを取るために、ベース領域10とp+型のベースコンタクト領域11が接するように形成する必要がある。以上は、以降の他の実施の形態でも同様である。   In this embodiment, the p + -type base contact region 11 is formed so as to be surrounded by the source region 20. However, the p + -type base contact region 11 only needs to be surrounded by the base region 10. However, it is not necessarily formed so as to be surrounded by the source region 20. When the p + -type base contact region 11 is formed so as to be surrounded by the source region 20, the base region 10 and the p + -type base contact region 11 are in contact with each other in order to make contact with the base region 10. Need to be formed. The same applies to the other embodiments described below.

図1A、図2Kの構成では、ソース領域20とベースコンタクト領域11が形成され正方格子状に配列されたベース領域10の単位セルにおいて、ベース領域10の例えば一つの角部から、その角部と第2近接となる他のセル角部方向に他のベース領域10と接続しない範囲で伸展するp型の電界緩和領域60を有する。このような構成により、電界緩和領域の占める面積を小さく出来、チャネル領域に与える影響を少なく出来る。   In the configuration of FIGS. 1A and 2K, in the unit cell of the base region 10 in which the source region 20 and the base contact region 11 are formed and arranged in a square lattice, for example, from one corner of the base region 10 to the corner It has a p-type electric field relaxation region 60 extending in a range not connected to another base region 10 in the direction of the other cell corner that is in the second proximity. With such a configuration, the area occupied by the electric field relaxation region can be reduced, and the influence on the channel region can be reduced.

ここで、あるセルの第1近接のセルとは、あるセルから最も近いセルであり、図1Aの例ではある四角形のセルに対して、辺同士が対向して接する他のセルである。セル同士の距離は、例えば、セルの幾何学的重心同士の距離とすることができる。また、第2近接のセルとは2番目に近いセルであり、図1Aの例ではある四角形のセルに対して、角同士が対向して接する他のセルである。   Here, the first adjacent cell of a certain cell is a cell closest to a certain cell, and in the example of FIG. 1A, is another cell whose sides face each other and touch a certain rectangular cell. The distance between the cells can be, for example, the distance between the geometric centroids of the cells. Also, the second adjacent cell is the second closest cell, and is another cell whose corners face each other and are in contact with a rectangular cell in the example of FIG. 1A.

図1Aの実施例では、p型の電界緩和領域60を、四角形の単位セルにおける4つの角から第2近接となる他のセル角部方向に他のセルと接続しない範囲で伸展させた4箇所の電界緩和領域60を配置しても良いが、この方法では、MOSのオン動作時に、単位セルにおける4箇所の角部付近が空乏化し、チャネル幅(W)が減少する。チャネル幅(W)の減少はオン抵抗の増大に繋がるので、Wの減少を極力抑えるためには、セルの1つの角にp型の電界緩和領域60を設けるのが良い。   In the embodiment of FIG. 1A, the p-type electric field relaxation region 60 is extended from the four corners of the rectangular unit cell in the direction of the other cell corner that is in the second proximity so as not to be connected to other cells. However, in this method, when the MOS is turned on, the vicinity of the four corners of the unit cell is depleted and the channel width (W) is reduced. A decrease in channel width (W) leads to an increase in on-resistance. Therefore, in order to suppress the decrease in W as much as possible, it is preferable to provide a p-type electric field relaxation region 60 at one corner of the cell.

また、上述の図20で示したようにゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、ベース領域10の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線(隣接するセルと等距離にある点を結んだ線)上に存在し、且つ、p型の電界緩和領域と接するベース領域角部とそれの第2近接となるベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点よりも、ダウンステップ側に存在する。このため、図1Aに示すようにセルのアップステップ側にp型の電界緩和領域を設ける方が、セルのダウンステップ側にp型の電界緩和領域を設けるよりも、電界緩和領域の占める面積を小さく出来、チャネル領域に与える影響を少なく出来る。故に、図1Aに示したように、セルのアップステップ側にp型の電界緩和領域を設けるのが良い。   In addition, as shown in FIG. 20 described above, the electric field applied to the gate insulating film becomes strong because the unit cell of the base region 10 and the center line (adjacent to the cell) adjacent to the cell in the direction perpendicular to the off direction. The base region corner that is on the same distance from the cell and the base region corner that is in contact with the p-type electric field relaxation region and the base region corner that is in the second vicinity thereof are connected by lines. It exists on the down-step side from the intersection. For this reason, as shown in FIG. 1A, providing the p-type electric field relaxation region on the up-step side of the cell requires less area than the p-type electric field relaxation region on the down-step side of the cell. It can be made smaller and the influence on the channel area can be reduced. Therefore, as shown in FIG. 1A, it is preferable to provide a p-type electric field relaxation region on the up-step side of the cell.

また、上記のように電界が強くなる点がダウンステップ側にシフトしているため、相互に最も近接した単位セルの組(例えば図1Aでは近接する4つのセル)でセルのグループを定義した場合、単位セルのグループの幾何学的重心位置よりオフ方向側にシフトした点に向けて、前記第2導電型の電界緩和領域を伸展するのが望ましい。具体的には、例えば図1Aで、電界緩和領域の中心線は、単位セルの対向する角を結んだ線(例えばA―A’線)とシフトして設計するのが望ましい。以上は、以降の実施の態様でも同様である。   In addition, since the point where the electric field becomes strong is shifted to the down step side as described above, a group of cells is defined by a set of unit cells closest to each other (for example, four cells adjacent in FIG. 1A). Preferably, the electric field relaxation region of the second conductivity type is extended toward a point shifted to the off direction side from the geometric gravity center position of the unit cell group. Specifically, for example, in FIG. 1A, it is desirable that the center line of the electric field relaxation region is designed to be shifted from a line (for example, A-A ′ line) connecting opposing corners of the unit cell. The same applies to the following embodiments.

また、p型の電界緩和領域60のドリフト領域に囲まれる領域の形状は、一つの角で構成すると電界緩和領域端部に電界集中を生じて耐圧が問題となるため、2つ以上の角で構成するのが良い。例えば、図1Aに示したように、平面形状では電界緩和領域端部の輪郭は2つの角で構成されているが、多角形または曲面形状としてもよい。また、電界緩和領域のセル側の形状も、角部をもって接続するのではなく、曲面形状としてもよい。角部を有する場合は、鋭角よりも鈍角が望ましい。以上のように、電界緩和領域の輪郭はなるべく滑らかな形状とすることが好ましい。以上は、以降の他の実施の形態でも同様である。   Further, if the shape of the region surrounded by the drift region of the p-type electric field relaxation region 60 is constituted by one corner, electric field concentration occurs at the end of the electric field relaxation region, and the breakdown voltage becomes a problem. Good to configure. For example, as shown in FIG. 1A, in the planar shape, the contour of the end portion of the electric field relaxation region is composed of two corners, but may be a polygonal shape or a curved surface shape. In addition, the shape of the electric field relaxation region on the cell side may be a curved shape instead of connecting with corners. When it has a corner, an obtuse angle is preferable to an acute angle. As described above, the contour of the electric field relaxation region is preferably as smooth as possible. The same applies to the other embodiments described below.

また、p型の電界緩和領域の長さが長すぎると、チャネル領域への影響が増加し、オン抵抗が増加してしまう。p型の電界緩和領域の長さが短すぎると、目的であるゲート絶縁膜に掛かる電界の緩和が不十分となり、ゲート絶縁膜が破壊する。このため、p型の電界緩和領域の長さは以下の様な適切な範囲で設計する必要がある。p型の電界緩和領域の長さは、以下の不等式(1)を満足するよう設計する。   On the other hand, if the length of the p-type field relaxation region is too long, the influence on the channel region increases and the on-resistance increases. If the length of the p-type electric field relaxation region is too short, the intended electric field applied to the gate insulating film becomes insufficient and the gate insulating film is destroyed. For this reason, it is necessary to design the length of the p-type electric field relaxation region within an appropriate range as follows. The length of the p-type electric field relaxation region is designed to satisfy the following inequality (1).

J2−LJ1<L<LJ2 …(1)
:基点となるベース領域の角部から電界緩和領域端部までの長さ
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
J2:基点となるベース領域の角部と第2近接となる他のセル角部の間の距離
図1Bに示すように、LがLJ2−LJ1よりも長ければ、電界緩和領域と隣接するベース領域角部間の距離がセル間の距離よりも短くなるため、効果的にゲート絶縁膜に掛かる電界を緩和することが出来る。なお、図1Bでは、便宜的にLJ1、J2は電界緩和領域の基点となる角部以外で示しているが、セルが周期的に配列されていることを前提とすれば、この部分で測定した距離でも同じ値となる(図3でも同様)。
L J2 -L J1 <L E < L J2 ... (1)
L E : Length from the corner of the base region serving as the base point to the end of the electric field relaxation region L J1 : The distance between the corner of the base region serving as the base point and the other cell corner serving as the first proximity L J2 : as shown in distance diagram 1B between the corner and the other cell corners to be the second proximity base region of the base point, the longer L E than L J2 -L J1, base adjacent to the electric-field relaxation region Since the distance between the corners of the region is shorter than the distance between the cells, the electric field applied to the gate insulating film can be effectively reduced. In FIG. 1B, for convenience, L J1 and L J2 are shown except for the corners that are the base points of the electric field relaxation region. However, if it is assumed that the cells are periodically arranged, The measured distance is the same value (the same applies to FIG. 3).

また、p型の電界緩和領域60はマスク数削減によるプロセスコスト低減のため、ベース領域10、またはベースコンタクト領域11形成時に同時に形成しても良い。このため、p型の電界緩和領域60の不純物濃度は、ベース領域10、またはベースコンタクト領域11の濃度と同様にすることにより、プロセス的に同時に作成できる。具体的には、5×1018〜1×1021cm−3を満たす範囲とするとベース領域やベースコンタクト領域と、共通マスクを用いてプロセスの共通化が図れる。以上は、以降の他の実施の形態でも同様である。The p-type electric field relaxation region 60 may be formed simultaneously with the formation of the base region 10 or the base contact region 11 in order to reduce the process cost by reducing the number of masks. For this reason, the impurity concentration of the p-type electric field relaxation region 60 can be created simultaneously in the process by making it the same as the concentration of the base region 10 or the base contact region 11. Specifically, if the range satisfies 5 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 , the process can be shared by using a base region, a base contact region, and a common mask. The same applies to the other embodiments described below.

さらに、図2Kを詳細に説明すると、ソース領域20、及びベースコンタクト領域11上にそれぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、ソース領域20の一部、及びベース領域10、及びドリフト領域2、及び電界緩和領域60上に被る様に形成されたゲート絶縁膜32と、ソース領域20とベース領域10に接するソースベースコンタクト51と、ウェハの裏面にn型のドレイン領域21と、ドレイン領域21に接するドレインコンタクト52と、チャネル領域上部のゲート絶縁膜32に接するゲート電極40と、ソースベースコンタクト51と接するソースベースコンタクト共通電極41と、ドレインコンタクト52と接するドレインコンタクト電極42と、表面保護膜を有する。更に、裏面にp型の領域を追加し、SiC-IGBTとしても良い。以上は、以降の他の実施の形態でも同様である。   Further, FIG. 2K will be described in detail. The first external connection electrode formed on the source region 20 and the base contact region 11 so as to cover at least a part of each region, a part of the source region 20, And the gate insulating film 32 formed on the base region 10, the drift region 2, and the electric field relaxation region 60, the source base contact 51 in contact with the source region 20 and the base region 10, and the n-type on the back surface of the wafer. The drain region 21, the drain contact 52 in contact with the drain region 21, the gate electrode 40 in contact with the gate insulating film 32 above the channel region, the source base contact common electrode 41 in contact with the source base contact 51, and the drain contact 52. It has a drain contact electrode 42 and a surface protective film. Further, a p-type region may be added on the back surface to form a SiC-IGBT. The same applies to the other embodiments described below.

[半導体装置の製造方法]
次に上記SiC−MOSFETの製造方法について説明する。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
Next, a method for manufacturing the SiC-MOSFET will be described.

図2Aから図2Kは、図1のA-A’とB-B’における本実施の形態1の炭化珪素半導体装置を製造する際の各工程における断面図である。なお、前記断面図は、煩雑さを避けるため、当該工程における主要部位の構成のみを示すもので、正確な断面図には相当しない。   2A to 2K are cross-sectional views in respective steps when manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment taken along the lines A-A ′ and B-B ′ of FIG. 1. In addition, in order to avoid complexity, the cross-sectional view shows only the configuration of the main part in the process, and does not correspond to an accurate cross-sectional view.

[図2A] 上記記載の半導体装置は図2Aに示すようなエピタキシャルウェハを用いて作製される。本実施の形態の炭化珪素基板1には、例えば、8°、4°、2°、0.5°などのオフセットを持つ不純物濃度が例えば、1×1018〜1×1021cm−3であるn+型4H−SiCウェハを用い、その上に不純物濃度が例えば、1×1014〜1×1018cm−3の炭化珪素エピタキシャル層2を積層した。このエピタキシャル層2の表面は、図18A、Bに示したように幾何学的な異方性を有している。2A] The semiconductor device described above is manufactured using an epitaxial wafer as shown in FIG. 2A. In silicon carbide substrate 1 of the present embodiment, for example, the impurity concentration having an offset of 8 °, 4 °, 2 °, 0.5 ° or the like is, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . A silicon carbide epitaxial layer 2 having an impurity concentration of, for example, 1 × 10 14 to 1 × 10 18 cm −3 was stacked thereon using a certain n + type 4H—SiC wafer. The surface of the epitaxial layer 2 has geometric anisotropy as shown in FIGS. 18A and 18B.

[図2B] 次に、p型ベース領域10にイオン注入するためにマスク30Bをして、図2Bに示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の表層部に、Alイオンを注入し、p型ベース領域10を形成した。なお、不純物の注入深さは、例えば、1μm程度である。また、不純物濃度は、例えば、5×1016〜1×1019cm−3の範囲である。また、p型ベース領域10に注入するイオンはBイオンでも良い。また、炭化珪素エピタキシャル層2の上にp型の炭化珪素エピタキシャル層をさらに成膜してp型ベース領域10としてもよい。この場合も、p型ベース領域10表面は、図18A、Bに示したように幾何学的な異方性を有している。その後、上記マスク30Bを除去した。[FIG. 2B] Next, a mask 30B is used to implant ions into the p-type base region 10, and as shown in FIG. 2B, Al ions are implanted into the surface layer portion of the silicon carbide epitaxial layer 2 to form a p-type base. Region 10 was formed. The impurity implantation depth is, for example, about 1 μm. Moreover, impurity concentration is the range of 5 * 10 < 16 > -1 * 10 < 19 > cm < -3 >, for example. The ions implanted into the p-type base region 10 may be B ions. Further, a p-type silicon carbide epitaxial layer may be further formed on silicon carbide epitaxial layer 2 to form p-type base region 10. Also in this case, the surface of the p-type base region 10 has geometric anisotropy as shown in FIGS. Thereafter, the mask 30B was removed.

[図2C] 次に、ソース領域20にイオン注入するためにマスク30Cをして、図2Cに示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の表層部にマスク30Cを介してNイオンを注入し、ソース領域20を形成した。なお、不純物の注入深さは、例えば、0.1〜0.5μmの範囲である。また、不純物濃度は、例えば、1×1018〜1×1021cm−3の範囲である。また、ソース領域20に注入するイオンはPイオンでも良い。その後、上記マスク30Cを除去した。[FIG. 2C] Next, a mask 30C is used to implant ions into the source region 20, and as shown in FIG. 2C, N ions are implanted into the surface layer portion of the silicon carbide epitaxial layer 2 via the mask 30C. Region 20 was formed. The impurity implantation depth is, for example, in the range of 0.1 to 0.5 μm. Moreover, impurity concentration is the range of 1 * 10 < 18 > -1 * 10 < 21 > cm < -3 >, for example. The ions implanted into the source region 20 may be P ions. Thereafter, the mask 30C was removed.

[図2D] 次に、ベースコンタクト領域11にイオン注入するためにマスク30Dをして、図2Dに示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の表層部にマスク30Dを介してAlイオンを注入し、ベースコンタクト領域11を形成した。なお、不純物の注入深さは、例えば、0.1〜0.5μmの範囲である。また、不純物濃度は、例えば、1×1018〜1×1021cm−3程度に設定する。また、ベースコンタクト領域11に注入するイオンはBイオンでも良い。その後、上記マスク30Dを除去した。[FIG. 2D] Next, a mask 30D is used to implant ions into the base contact region 11, and as shown in FIG. 2D, Al ions are implanted into the surface layer portion of the silicon carbide epitaxial layer 2 via the mask 30D. A base contact region 11 was formed. The impurity implantation depth is, for example, in the range of 0.1 to 0.5 μm. The impurity concentration is set to, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The ions implanted into the base contact region 11 may be B ions. Thereafter, the mask 30D was removed.

[図2E] 次に、電界緩和領域60にイオン注入するためにマスク30Eをして、図2Eに示すように、炭化珪素エピタキシャル層2の表層部にマスク30Eを介してAlイオンを注入し、電界緩和領域60を形成した。その後、上記マスク30Eを除去した。   [FIG. 2E] Next, a mask 30E is implanted to ion-implant the electric field relaxation region 60. As shown in FIG. 2E, Al ions are implanted into the surface layer portion of the silicon carbide epitaxial layer 2 via the mask 30E. An electric field relaxation region 60 was formed. Thereafter, the mask 30E was removed.

なお、不純物の注入深さは、例えば、0.1〜1μm程度である。また、不純物濃度は、例えば、5×1016〜1×1021cm−3の範囲である。このため、本実施の形態では、電界緩和領域60形成のためのマスク30Eを用いたが、Alイオンの注入濃度が上記5×1016〜1×1021cm−3の範囲であれば、例えばp型ベース領域10やベースコンタクト領域11にAlイオンを注入する際に電界緩和領域60を同時に形成しても良い。また、電界緩和領域60に注入するイオンはBイオンでも良い。The impurity implantation depth is, for example, about 0.1 to 1 μm. The impurity concentration is, for example, in the range of 5 × 10 16 to 1 × 10 21 cm −3 . For this reason, in this embodiment, the mask 30E for forming the electric field relaxation region 60 is used. However, if the Al ion implantation concentration is in the range of 5 × 10 16 to 1 × 10 21 cm −3 , for example, The electric field relaxation region 60 may be formed simultaneously when Al ions are implanted into the p-type base region 10 or the base contact region 11. The ions implanted into the electric field relaxation region 60 may be B ions.

[図2F] 次に、図2Fに示すように、炭化珪素基板1の裏面に、Nイオンを注入し、ドレイン領域21を形成した。不純物濃度は、例えば、1×1016〜1×1019cm−3の範囲である。また、ドレイン領域21に注入するイオンはPイオンでも良い。[FIG. 2F] Next, as shown in FIG. 2F, N ions were implanted into the back surface of the silicon carbide substrate 1 to form a drain region 21. The impurity concentration is, for example, in the range of 1 × 10 16 to 1 × 10 19 cm −3 . The ions implanted into the drain region 21 may be P ions.

続いて、炭化珪素基板1および炭化珪素エピタキシャル層2の周囲に不純物活性化アニールのキャップ材の炭素膜を堆積させ、不純物活性化アニールを、例えば1600〜1800℃の温度で不純物活性化アニールを行った。その後、キャップ材の炭素層を酸素プラズマアッシングにより除去し、さらに清浄な表面を得る為に、熱酸化膜を形成し、希釈フッ酸溶液を用いて除去した。   Subsequently, a carbon film as a cap material for impurity activation annealing is deposited around the silicon carbide substrate 1 and the silicon carbide epitaxial layer 2, and impurity activation annealing is performed at a temperature of, for example, 1600 to 1800 ° C. It was. Thereafter, the carbon layer of the cap material was removed by oxygen plasma ashing, and in order to obtain a cleaner surface, a thermal oxide film was formed and removed using a diluted hydrofluoric acid solution.

[図2G] 次に、図2Gに示すように、半導体基板上にゲート絶縁膜32を形成する。本実施の形態では厚さ10〜100nm程度の堆積酸化膜を形成した。   [FIG. 2G] Next, as shown in FIG. 2G, a gate insulating film 32 is formed on the semiconductor substrate. In this embodiment, a deposited oxide film having a thickness of about 10 to 100 nm is formed.

[図2H] 続いて、図2Hに示すように、厚さ100〜300nm程度のn型多結晶シリコン膜からなるゲート材料膜40を堆積した。   [FIG. 2H] Subsequently, as shown in FIG. 2H, a gate material film 40 made of an n-type polycrystalline silicon film having a thickness of about 100 to 300 nm was deposited.

[図2I] 続いて、図2Iに示すように、ゲート材料膜40を覆うように層間膜33を形成した。   2I] Subsequently, as shown in FIG. 2I, an interlayer film 33 was formed so as to cover the gate material film 40.

[図2J] 続いて、図2Jに示すように、n型のソース領域20とp型ベースコンタクト領域11とコンタクトを取る為に、レジストをマスクに層間膜33をエッチングし、コンタクトホールを形成し、シリサイド用メタルを堆積させ、例えば、700℃〜1000℃のアニール処理によりシリサイド化を行い、ソースベース共通コンタクト51を形成した。その後、ゲート電極とコンタクトを取る為に、層間膜33をエッチングし、ゲートコンタクトホールを形成した。[FIG. 2J] Subsequently, as shown in FIG. 2J, in order to make contact with the n + -type source region 20 and the p + -type base contact region 11, the interlayer film 33 is etched using a resist as a mask to form contact holes. Then, a metal for silicide is deposited and silicidation is performed by, for example, annealing at 700 ° C. to 1000 ° C. to form the source base common contact 51. Thereafter, in order to make contact with the gate electrode, the interlayer film 33 was etched to form a gate contact hole.

[図2K] 続いて、図2Kにしめすようなソースベースコンタクト共通電極41を形成した。併せて、裏面のドレイン領域21上もシリサイド化して、ドレインコンタクト52を形成し、更にドレインコンタクト電極42を形成した。シリサイドメタルやソースベースコンタクト共通電極41とドレインコンタクト電極42には例えばNi,Al等の金属材料を用いる。その後、デバイス保護の為に絶縁体からなる表面全体を覆う表面保護膜を形成する工程、電極への配線を行う工程を経て、半導体装置が完成する。   [FIG. 2K] Subsequently, a source-base contact common electrode 41 as shown in FIG. 2K was formed. At the same time, the drain region 21 on the back surface is also silicided to form a drain contact 52 and a drain contact electrode 42. For the silicide metal or the source base contact common electrode 41 and the drain contact electrode 42, for example, a metal material such as Ni or Al is used. Thereafter, a semiconductor device is completed through a step of forming a surface protective film covering the entire surface made of an insulator for device protection and a step of wiring to the electrodes.

本実施例の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる、セルに囲まれたJFET領域の中心からダウンステップ方向へずれた点を電界緩和領域で保護するため、従来構造で生じたゲート絶縁膜における耐圧の低下や、設計との相違が解消される。   According to the silicon carbide semiconductor device of this example, the electric field applied to the gate oxide film is strengthened, and the point shifted in the down-step direction from the center of the JFET region surrounded by the cell is protected by the electric field relaxation region. The decrease in breakdown voltage and the difference from the design caused by the gate insulating film are eliminated.

実施の形態2Embodiment 2

[半導体装置]
図3は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
[Semiconductor device]
FIG. 3 is a plan view of an ion implantation region showing a cell structure of an SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment.

図4Bは同じく断面図である。   FIG. 4B is a sectional view of the same.

図3、図4Bにおいて、炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETは、以下の特徴を有する。   3 and 4B, SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device has the following characteristics.

n型の炭化珪素半導体基板1と、半導体基板1の主面上に形成されたn型のドリフト領域2とを有する。ドリフト領域2の表層には間隔を開けて形成された、例えば六角格子状に配列された複数のp型のベース領域10を有する。ここで、p型のベース領域10は例えば六角形の形状である。
ベース領域10において表層にそのベース領域10に囲まれるように形成されるn+型のソース領域20と、ベース領域10において表層にそのベース領域10に囲まれるように、且つソース領域20以外の領域に形成されるベース領域10よりも高不純物濃度のp+型のベースコンタクト領域11を有する。p+型のベースコンタクト領域11とは、ベース領域10に電気的な接続を取るための領域である。
n-type silicon carbide semiconductor substrate 1 and n-type drift region 2 formed on the main surface of semiconductor substrate 1. A surface layer of the drift region 2 has a plurality of p-type base regions 10 formed at intervals, for example, arranged in a hexagonal lattice shape. Here, the p-type base region 10 has, for example, a hexagonal shape.
In the base region 10, an n + -type source region 20 formed on the surface layer so as to be surrounded by the base region 10, and in the base region 10, a region other than the source region 20 so as to be surrounded by the base region 10 on the surface layer The p + -type base contact region 11 having a higher impurity concentration than the base region 10 formed in FIG. The p + -type base contact region 11 is a region for establishing electrical connection with the base region 10.

ソース領域20とベースコンタクト領域11が形成され六角格子状に配列されたベース領域10の単位セルにおいてベース領域10の例えば一つの角部から、第1近接となる他のセルの2つの角部を直線で結んだ中点方向に他のセルと接続しない範囲で伸展するp型の電界緩和領域60を有する。本実施例では、p型の電界緩和領域60が一つの例えば六角形の形状をした単位セルにおいて、6つの角から第1近接となる他のセルの2つの角部を直線で結んだ中点方向に他のセルと接続しない範囲で伸展させた6箇所の電界緩和領域を配置しても良いが、MOSのオン動作時に、6箇所の角部付近が空乏化する。この方法では、チャネルとして使えない領域が増えるため、2つの角にp型の電界緩和領域を設けるのが良い。図3で、第1近接となるセルとは、ある六角形のセルに対して、辺同士が対向する他のセルであり、第2近接となるセルとは、あるセルに対して第1近接となるセルと辺同士が対向する他のセル(第1近接となるセルを除く)である。   In the unit cell of the base region 10 in which the source region 20 and the base contact region 11 are formed and arranged in a hexagonal lattice shape, for example, from one corner of the base region 10, two corners of other cells that are close to each other It has a p-type electric field relaxation region 60 extending in a range not connected to other cells in the middle point direction connected by a straight line. In the present embodiment, in the unit cell in which the p-type electric field relaxation region 60 has a single hexagonal shape, for example, a midpoint obtained by connecting two corners of other cells that are in the first proximity from six corners with straight lines. Although six electric field relaxation regions extended in a direction not connected to other cells may be disposed in the direction, the vicinity of the six corners is depleted when the MOS is turned on. In this method, since a region that cannot be used as a channel increases, it is preferable to provide a p-type electric field relaxation region at two corners. In FIG. 3, the first adjacent cell is another cell whose sides are opposed to a certain hexagonal cell, and the second adjacent cell is the first adjacent to a certain cell. And other cells whose sides are opposed to each other (excluding cells that are in the first proximity).

また、六角形のセルを六角格子状に配置した場合にゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、セルに囲まれたJFET領域の中心からずれた箇所である。上記箇所は、ダウンステップ方向成分とオフ方向に対して垂直方向の成分を合成した位置となる。このため、セルのアップステップ側にp型の電界緩和領域60を設ける方が、セルのダウンステップ側にp型の電界緩和領域60を設けるよりも、電界緩和領域の長さを短く出来、チャネル領域に与える影響を小さく出来る。このため、図3に示すように、セルのアップステップ側にp型の電界緩和領域を設けるのが良い。   In addition, when hexagonal cells are arranged in a hexagonal lattice shape, the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong is a point shifted from the center of the JFET region surrounded by the cells. The location is a position where the down-step direction component and the component in the direction perpendicular to the off direction are combined. For this reason, it is possible to shorten the length of the electric field relaxation region by providing the p-type electric field relaxation region 60 on the up-step side of the cell, compared to providing the p-type electric field relaxation region 60 on the down-step side of the cell. The influence on the area can be reduced. Therefore, as shown in FIG. 3, it is preferable to provide a p-type electric field relaxation region on the upstep side of the cell.

また、p型の電界緩和領域の長さが長すぎると、チャネル領域への影響が増加し、オン抵抗が増加してしまう。p型の電界緩和領域の長さが短すぎると、目的であるゲート絶縁膜に掛かる電界の緩和が不十分となり、ゲート絶縁膜が破壊する。このため、p型の電界緩和領域の長さは以下の様な適切な範囲で設計する必要がある。p型の電界緩和領域の長さは、以下の不等式(2)を満足するよう設計する。   On the other hand, if the length of the p-type field relaxation region is too long, the influence on the channel region increases and the on-resistance increases. If the length of the p-type electric field relaxation region is too short, the intended electric field applied to the gate insulating film becomes insufficient and the gate insulating film is destroyed. For this reason, it is necessary to design the length of the p-type electric field relaxation region within an appropriate range as follows. The length of the p-type electric field relaxation region is designed to satisfy the following inequality (2).

<LJ1 …(2)
:基点となるベース領域の角部から電界緩和領域端部までの長さ
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の長さ
[半導体装置の製造方法]
図4は実施の形態2における半導体装置の製造方法において、特に実施の形態1と異なる部分を示す図である。実施の形態2では、電界緩和領域60形成時の断面図が図4Aとなり、完成時の断面図が4Bとなる以外、図1〜図2で示した実施の形態1記載の半導体装置と同様である。
L E <L J1 ... (2 )
L E : Length from the corner of the base region serving as the base point to the end of the electric field relaxation region L J1 : Length between the corner of the base region serving as the base point and another cell corner serving as the first proximity [Semiconductor Device manufacturing method]
FIG. 4 is a diagram showing a part different from the first embodiment in the method for manufacturing a semiconductor device in the second embodiment. The second embodiment is the same as the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 2 except that the cross-sectional view when forming the electric field relaxation region 60 is FIG. 4A and the cross-sectional view when completed is 4B. is there.

本実施例の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる、セルに囲まれたJFET領域の中心からダウンステップ方向へずれた点を電界緩和領域で保護するため、従来構造で生じたゲート絶縁膜における耐圧の低下や、設計との相違が解消される。   According to the silicon carbide semiconductor device of this example, the electric field applied to the gate oxide film is strengthened, and the point shifted in the down-step direction from the center of the JFET region surrounded by the cell is protected by the electric field relaxation region. The decrease in breakdown voltage and the difference from the design caused by the gate insulating film are eliminated.

実施の形態3Embodiment 3

[半導体装置]
図5は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
[Semiconductor device]
FIG. 5 is a plan view of an ion implantation region showing a cell structure of a SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment.

図6Bは同じく断面図である。   FIG. 6B is a sectional view of the same.

図5、図6Bにおいて、炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETは、基本的に図1A、B、図2Kに示したものと同様である。特に相違点について説明すれば、以下の特徴を有する。   5 and 6B, the SiC-MOSFET that is the silicon carbide semiconductor device is basically the same as that shown in FIGS. 1A, B, and 2K. In particular, the differences will be described below.

本実施例では、図5に示すように、ソース領域20とベースコンタクト領域11が形成され正方格子状に配列されたベース領域10の4つの単位セルに囲まれた領域において、ゲート絶縁膜32に掛かる電界が強くなる点を含むように配置した十字形状のp型の電界緩和領域60を有する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the gate insulating film 32 is formed in a region surrounded by four unit cells of the base region 10 in which the source region 20 and the base contact region 11 are formed and arranged in a square lattice pattern. A cross-shaped p-type electric field relaxation region 60 is disposed so as to include a point where an applied electric field becomes strong.

本実施の形態では、ゲート絶縁膜32に掛かる電界が強くなる点が中心になるように十字形状のp型の電界緩和領域60を配置した。ここで、ゲート絶縁膜32に掛かる電界が強くなる点は、ベース領域10の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線上に存在し、且つ、p型の電界緩和領域の伸展の基点となるベース領域角部とそれの第2近接となるベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点よりも、ダウンステップ側に存在する。従って、図5に示されるように、セルの中心線Cと十字形状の電界緩和領域の交点はずれて配置されている。   In the present embodiment, the cross-shaped p-type electric field relaxation region 60 is arranged so that the point where the electric field applied to the gate insulating film 32 becomes strong is the center. Here, the point where the electric field applied to the gate insulating film 32 becomes strong exists on the unit cell of the base region 10 and the center line of the cell adjacent to the cell in the direction perpendicular to the off direction, and the p-type It exists on the down-step side from the intersection where the base region corner which is the base point of extension of the electric field relaxation region and the base region corner which is the second proximity thereof are connected by lines. Therefore, as shown in FIG. 5, the cell center line C and the cross-shaped electric field relaxation region are arranged off the intersection.

図7にベース領域10の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線上(図5におけるD−D‘領域)における断面図を示す。なお、断面図には、ベース領域の単位セルと、該セルに対しオフ方向に隣接するセルの中心線の位置を示す点Cを付した。SiC/SiO2界面付近のp型の電界緩和領域の中心点、即ちゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、点Cから長さNだけダウンステップ側にずれた箇所に存在する。ここで、長さNはオフ角とイオン注入深さに依るが、少なくとも長さNは不等式(3)の範囲を取る。   FIG. 7 shows a cross-sectional view of a unit cell in the base region 10 and a center line (D-D ′ region in FIG. 5) of cells adjacent to the cell in a direction perpendicular to the off direction. In the sectional view, a unit cell in the base region and a point C indicating the position of the center line of the cell adjacent to the cell in the off direction are attached. The central point of the p-type electric field relaxation region in the vicinity of the SiC / SiO 2 interface, that is, the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong exists at a position shifted from the point C to the down step side by the length N. Here, the length N depends on the off angle and the ion implantation depth, but at least the length N takes the range of the inequality (3).

0<N<LJ1/2 …(3)
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離(図1Bに示したものと同様である)

また、p型の電界緩和領域のドリフト領域に囲まれる領域の形状は、角が存在すると角部に電界集中が生じ耐圧が問題となるため、角の曲率を大きくすると良い。本実施例では、十字形状の交差部分の角部にアールをつける等するとよい。
0 <N <L J1 / 2 (3)
N: Distance between the intersection of the base region corner and the base region corner of the second adjacent cell with a line and the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong L J1 : Corner of the base region serving as the base point And the distance between the other cell corners that are in the first proximity (similar to that shown in FIG. 1B)

In addition, the shape of the region surrounded by the drift region of the p-type electric field relaxation region is such that if there are corners, electric field concentration occurs at the corners, and the breakdown voltage becomes a problem. In the present embodiment, it is preferable to round the corners of the cross-shaped intersection.

[半導体装置の製造方法]
図6は実施の形態3における半導体装置の製造方法において、実施の形態1と異なる部分を示す図である。実施の形態3では、電界緩和領域60形成時の断面図が図6Aとなり、完成時の断面図が6Bとなる以外、図1〜図2で示した実施の形態1記載の半導体装置と同様である。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
FIG. 6 is a diagram showing portions different from those in the first embodiment in the semiconductor device manufacturing method in the third embodiment. The third embodiment is the same as the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 2 except that the cross-sectional view when forming the electric field relaxation region 60 is FIG. 6A and the cross-sectional view when completed is 6B. is there.

本実施例の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる、セルに囲まれたJFET領域の中心からダウンステップ方向へずれた点を電界緩和領域で保護するため、従来構造で生じたゲート絶縁膜における耐圧の低下や、設計との相違が解消される。また、実施の形態1記載の半導体装置では、1つのセルにおいてp型ベースコンタクト領域のコンタクト不良があった場合、p型ベース領域の電位が固定できないことになるため、スイッチング動作時等の不良の原因となる。本実施の形態における半導体装置では、各セルのp型ベース領域が接続されているため、他のセルでコンタクトを取る事が出来る。このため、実施の形態1記載の半導体装置よりもp型ベース領域の電位が固定されやすく、高信頼なデバイスが実現できる。   According to the silicon carbide semiconductor device of this example, the electric field applied to the gate oxide film is strengthened, and the point shifted in the down-step direction from the center of the JFET region surrounded by the cell is protected by the electric field relaxation region. The decrease in breakdown voltage and the difference from the design caused by the gate insulating film are eliminated. In the semiconductor device described in the first embodiment, when there is a contact failure in the p-type base contact region in one cell, the potential of the p-type base region cannot be fixed. Cause. In the semiconductor device in this embodiment, since the p-type base region of each cell is connected, contact can be made in another cell. Therefore, the potential of the p-type base region can be fixed more easily than in the semiconductor device described in Embodiment 1, and a highly reliable device can be realized.

実施の形態4Embodiment 4

[半導体装置]
図8は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
[Semiconductor device]
FIG. 8 is a plan view of an ion implantation region showing a cell structure of a SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment.

図8において、炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETは、基本的に図1A、B、図2Kに示したものと同様である。特に相違点について説明すれば、以下の特徴を有する。   In FIG. 8, the SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device is basically the same as that shown in FIGS. 1A, B and 2K. In particular, the differences will be described below.

ソース領域20とベースコンタクト領域11が形成され正方格子状に配列されたベース領域10の4つの単位セルに囲まれた領域において、ゲート絶縁膜32に掛かる電界が強くなる点を含むように配置した直線形状のp型の電界緩和領域60を有する。本実施の形態では、ゲート絶縁膜32に掛かる電界が強くなる点が中心になるように直線形状のp型の電界緩和領域60を配置した。ここで、ゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、ベース領域10の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線C上に存在し、且つ、p型の電界緩和領域の伸展の基点となるベース領域角部とそれの第2近接となるベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点よりも、ダウンステップ側に存在する。このため、図8に示されるように、ベース領域10の角部同士を接続する直線形状のp型の電界緩和領域60の中心線は、セルの中心線Cからずれた位置に配置することが望ましい。   In a region surrounded by four unit cells of the base region 10 in which the source region 20 and the base contact region 11 are formed and arranged in a square lattice pattern, the source region 20 and the base contact region 11 are arranged so as to include a point where the electric field applied to the gate insulating film 32 becomes strong. A linear p-type electric field relaxation region 60 is provided. In the present embodiment, the linear p-type electric field relaxation region 60 is arranged so that the point where the electric field applied to the gate insulating film 32 becomes strong is the center. Here, the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong exists on the unit cell of the base region 10 and the center line C of the cell adjacent to the cell in the direction perpendicular to the off direction, and the p-type The base region corner portion serving as the base point of the extension of the electric field relaxation region and the base region corner portion adjacent to the base region corner portion thereof are present on the down-step side from the intersections respectively connected by lines. For this reason, as shown in FIG. 8, the center line of the linear p-type electric field relaxation region 60 that connects the corners of the base region 10 may be arranged at a position shifted from the center line C of the cell. desirable.

図7に前記ベース領域の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線上(図8におけるD−D‘領域)における断面図を示す。なお、断面図には、前記ベース領域の単位セルと、該セルに対しオフ方向に隣接するセルの中心線の位置を示す点Cを付した。SiC/SiO2界面付近のp型の電界緩和領域の中心点、即ちゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、点Cから長さNだけダウンステップ側にずれた箇所に存在する。ここで、長さNはオフ角とイオン注入深さに依るが、少なくとも長さNは不等式(4)の範囲を取る。   FIG. 7 shows a cross-sectional view of the unit cell in the base region and a center line (D-D ′ region in FIG. 8) of cells adjacent to the cell in a direction perpendicular to the off direction. In the sectional view, a unit cell of the base region and a point C indicating the position of the center line of the cell adjacent to the cell in the off direction are attached. The central point of the p-type electric field relaxation region in the vicinity of the SiC / SiO 2 interface, that is, the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong exists at a position shifted from the point C to the down step side by the length N. Here, the length N depends on the off angle and the ion implantation depth, but at least the length N takes the range of the inequality (4).

0<N<LJ1/2 …(4)
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離(図1Bに示したものと同様である)
実施の形態4における半導体装置は実施の形態3記載の半導体装置と同様に製造することができる。
0 <N <L J1 / 2 (4)
N: Distance between the intersection of the base region corner and the base region corner of the second adjacent cell with a line and the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong L J1 : Corner of the base region serving as the base point And the distance between the other cell corners that are in the first proximity (similar to that shown in FIG. 1B)
The semiconductor device in the fourth embodiment can be manufactured in the same manner as the semiconductor device described in the third embodiment.

本実施例の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる、セルに囲まれたJFET領域の中心からダウンステップ方向へずれた点を電界緩和領域で保護するため、従来構造で生じたゲート絶縁膜における耐圧の低下や、設計との相違が解消される。また、実施の形態1記載の半導体装置では、1つのセルにおいてp型ベースコンタクト領域のコンタクト不良があった場合、p型ベース領域の電位が固定できないことになるため、スイッチング動作時等の不良の原因となる。本実施の形態における半導体装置では、各セルのp型ベース領域が接続されている。図8の例では、第2近接のセル同士のp型ベース領域が接続される。このため、他のセルでコンタクトを取る事が出来る。このため、実施の形態1記載の半導体装置よりもp型ベース領域の電位が固定されやすく、高信頼なデバイスが実現できる。また、実施の形態3記載の半導体装置では、十字形状のp型電界緩和領域を用いるが、本実施の形態における半導体装置では、ブリッジ型の構造を用いるため、p型電界緩和領域が占める面積が少ない。このため、チャネル領域への影響を少なくする事が出来るため、実施の形態3記載の半導体装置よりもオン抵抗を小さくする事が出来る。   According to the silicon carbide semiconductor device of this example, the electric field applied to the gate oxide film is strengthened, and the point shifted in the down-step direction from the center of the JFET region surrounded by the cell is protected by the electric field relaxation region. The decrease in breakdown voltage and the difference from the design caused by the gate insulating film are eliminated. In the semiconductor device described in the first embodiment, when there is a contact failure in the p-type base contact region in one cell, the potential of the p-type base region cannot be fixed. Cause. In the semiconductor device in the present embodiment, the p-type base region of each cell is connected. In the example of FIG. 8, the p-type base regions of the second neighboring cells are connected. For this reason, contact can be made in another cell. Therefore, the potential of the p-type base region can be fixed more easily than in the semiconductor device described in Embodiment 1, and a highly reliable device can be realized. In the semiconductor device described in Embodiment 3, the cross-shaped p-type field relaxation region is used. However, since the semiconductor device in this embodiment uses a bridge-type structure, the area occupied by the p-type field relaxation region is large. Few. Therefore, the influence on the channel region can be reduced, so that the on-resistance can be made smaller than that of the semiconductor device described in Embodiment 3.

実施の形態5Embodiment 5

[半導体装置]
図9は、本実施の形態に係わる炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETのセル構造を示したイオン注入領域の平面図である。
[Semiconductor device]
FIG. 9 is a plan view of an ion implantation region showing a cell structure of a SiC-MOSFET which is a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment.

図9において、炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFETは、基本的に図1A、B、図2Kに示したものと同様である。特に相違点について説明すれば、以下の特徴を有する。   In FIG. 9, the SiC-MOSFET that is the silicon carbide semiconductor device is basically the same as that shown in FIGS. 1A, 1B, and 2K. In particular, the differences will be described below.

ソース領域20とベースコンタクト領域11が形成され正方格子状に配列されたベース領域10の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルにおいて、それぞれのセルで第1近接となる角部2点から、ゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点に向けて伸展するp型の電界緩和領域を有し、二つのp型の電界緩和領域は接続している。即ち、p型の電界緩和領域は、V字型の形状となる。ここで、ゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、前記ベース領域の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線上に存在し、且つ、p型の電界緩和領域の伸展の基点となるベース領域角部とそれの第2近接となるベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点よりも、ダウンステップ側に存在する。   A unit cell of the base region 10 in which the source region 20 and the base contact region 11 are formed and arranged in a square lattice pattern, and a cell adjacent to the cell in a direction perpendicular to the off direction, The p-type electric field relaxation region extends from the two corners to the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes stronger, and the two p-type electric field relaxation regions are connected. That is, the p-type electric field relaxation region has a V-shape. Here, the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong is that the unit cell in the base region exists on the center line of the cell adjacent to the cell in the direction perpendicular to the off direction, and is a p-type electric field. It exists on the down-step side from the intersection where the base region corner which is the base point of extension of the relaxation region and the base region corner which is the second proximity thereof are connected by lines.

図7に前記ベース領域の単位セルと、該セルに対しオフ方向に垂直な方向に隣接するセルの中心線上(図9におけるD−D‘領域)における断面図を示す。なお、断面図には、前記ベース領域の単位セルと、該セルに対しオフ方向に隣接するセルの中心線の位置を示す点Cを付した。SiC/SiO2界面付近のp型の電界緩和領域の中心点、即ちゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点は、点Cから長さNだけダウンステップ側にずれた箇所に存在する。ここで、長さNはオフ角とイオン注入深さに依るが、少なくとも長さNは不等式(5)の範囲を取る。   FIG. 7 shows a cross-sectional view of a unit cell in the base region and a center line (D-D ′ region in FIG. 9) of cells adjacent to the cell in a direction perpendicular to the off direction. In the sectional view, a unit cell of the base region and a point C indicating the position of the center line of the cell adjacent to the cell in the off direction are attached. The central point of the p-type electric field relaxation region in the vicinity of the SiC / SiO 2 interface, that is, the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong exists at a position shifted from the point C to the down step side by the length N. Here, the length N depends on the off angle and the ion implantation depth, but at least the length N takes the range of the inequality (5).

0<N<LJ1/2 …(5)
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の長さ(図1Bに示したものと同様である)
上記第1近接となる角部2点は、アップステップ側の2点を選択する方が良い。ダウンステップ側の2点では、p型の電界緩和領域の占める面積が、アップステップ側の面積よりも大きくなり、チャネル領域への影響が増加し、オン抵抗が増加してしまうためである。
0 <N <L J1 / 2 (5)
N: Distance between the intersection of the base region corner and the base region corner of the second adjacent cell with a line and the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong L J1 : Corner of the base region serving as the base point And other cell corners that are in the first proximity (similar to that shown in FIG. 1B)
It is better to select two points on the up-step side as the two corner portions that are the first proximity. This is because at the two points on the down step side, the area occupied by the p-type electric field relaxation region becomes larger than the area on the up step side, the influence on the channel region increases, and the on-resistance increases.

また、V字状形状の先端に角が存在すると、電界緩和領域の角部に電界集中を生じて耐圧が問題となるため、角部の曲率を大きくするのが良い。   In addition, if there is a corner at the tip of the V-shape, electric field concentration occurs in the corner portion of the electric field relaxation region, and the breakdown voltage becomes a problem. Therefore, it is preferable to increase the curvature of the corner portion.

[半導体装置の製造方法]
実施の形態5における半導体装置の製造方法は実施の形態1記載の半導体装置と同様である。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
The manufacturing method of the semiconductor device in the fifth embodiment is the same as that of the semiconductor device described in the first embodiment.

本実施例の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート酸化膜にかかる電界が強くなる、セルに囲まれたJFET領域の中心からダウンステップ方向へずれた点を電界緩和領域で保護するため、従来構造で生じたゲート絶縁膜における耐圧の低下や、設計との相違が解消される。また、実施の形態1記載の半導体装置では、1つのセルにおいてp型ベースコンタクト領域のコンタクト不良があった場合、p型ベース領域の電位が固定できないことになるため、スイッチング動作時等の不良の原因となる。   According to the silicon carbide semiconductor device of this example, the electric field applied to the gate oxide film is strengthened, and the point shifted in the down-step direction from the center of the JFET region surrounded by the cell is protected by the electric field relaxation region. The decrease in breakdown voltage and the difference from the design caused by the gate insulating film are eliminated. In the semiconductor device described in the first embodiment, when there is a contact failure in the p-type base contact region in one cell, the potential of the p-type base region cannot be fixed. Cause.

本実施の形態における半導体装置では、各セルのp型ベース領域が接続されているため、他のセルでコンタクトを取る事が出来る。図9の例では、第1近接のセル同士のp型ベース領域が接続される。このため、実施の形態1記載の半導体装置よりもp型ベース領域の電位が固定されやすく、高信頼なデバイスが実現できる。また、実施の形態3記載の半導体装置では、十字形状のp型電界緩和領域を用いるが、本実施の形態における半導体装置では、V字状の構造を用いるため、p型電界緩和領域が占める面積が少ない。また、アップステップ側にp型電界緩和領域を設けることで、さらにp型電界緩和領域の面積を減少することができる。このため、チャネル領域への影響を少なくする事が出来るため、実施の形態3記載の半導体装置よりもオン抵抗を小さくする事が出来る。   In the semiconductor device in this embodiment, since the p-type base region of each cell is connected, contact can be made in another cell. In the example of FIG. 9, the p-type base regions of the first neighboring cells are connected. Therefore, the potential of the p-type base region can be fixed more easily than in the semiconductor device described in Embodiment 1, and a highly reliable device can be realized. In the semiconductor device described in Embodiment 3, a cross-shaped p-type field relaxation region is used. However, since the semiconductor device in this embodiment uses a V-shaped structure, the area occupied by the p-type field relaxation region is Less is. Further, by providing the p-type electric field relaxation region on the up-step side, the area of the p-type electric field relaxation region can be further reduced. Therefore, the influence on the channel region can be reduced, so that the on-resistance can be made smaller than that of the semiconductor device described in Embodiment 3.

実施の形態6Embodiment 6

本実施の形態では、前述の実施の形態1〜5記載の半導体装置を備えた電力変換装置について説明する。   In this embodiment, a power conversion device including the semiconductor device described in any of the first to fifth embodiments will be described.

図10は、本実施の形態の電力変換装置(インバータ)の回路図である。 図10に示すように、本実施の形態のインバータは、パワーモジュール302内に、スイッチング素子であるSiC-MOSFET304と、ダイオード305とを有する。各単相において、端子を介して、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)301の入力電位との間にSiC-MOSFET304とダイオード305とが逆並列に接続されている(上アーム)。負荷301の入力電位と接地電位(GND)との間にもSiC-MOSFET素子304とダイオード305とが逆並列に接続されている(下アーム)。   FIG. 10 is a circuit diagram of the power conversion device (inverter) of the present embodiment. As illustrated in FIG. 10, the inverter according to the present embodiment includes a SiC-MOSFET 304 that is a switching element and a diode 305 in a power module 302. In each single phase, SiC-MOSFET 304 and diode 305 are connected in antiparallel between the power supply voltage (Vcc) and the input potential of load (for example, motor) 301 via the terminal (upper arm). The SiC-MOSFET element 304 and the diode 305 are also connected in antiparallel between the input potential of the load 301 and the ground potential (GND) (lower arm).

つまり、負荷301では各単相に2つのSiC-MOSFET304と2つのダイオード305が設けられており、3相で6つのスイッチング素子304と6つのダイオード305が設けられている。そして、個々のSiC-MOSFET304のゲート電極には、端子を介して、制御回路303が接続されており、この制御回路303によってSiC-MOSFET304が制御されている。従って、本実施の形態のインバータは、制御回路303でパワーモジュール302を構成するSiC-MOSFET304を流れる電流を制御することにより、負荷301を駆動することができる。   That is, the load 301 is provided with two SiC-MOSFETs 304 and two diodes 305 in each single phase, and is provided with six switching elements 304 and six diodes 305 in three phases. A control circuit 303 is connected to the gate electrode of each SiC-MOSFET 304 via a terminal, and the SiC-MOSFET 304 is controlled by the control circuit 303. Therefore, the inverter according to the present embodiment can drive the load 301 by controlling the current flowing through the SiC-MOSFET 304 constituting the power module 302 by the control circuit 303.

パワーモジュール302内での、SiC-MOSFET304の機能について以下に説明する。負荷301として、例えばモータを制御駆動させるためには所望の電圧の正弦波を負荷301に入力する必要がある。制御回路303はSiC-MOSFET304を制御し、矩形波のパルス幅を動的に変化させるパルス幅変調動作を行っている。出力された矩形波はインダクタを経ることで、平滑化され、擬似的な所望の正弦波となる。SiC-MOSFET304は、このパルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す。   The function of the SiC-MOSFET 304 in the power module 302 will be described below. For example, in order to control and drive a motor as the load 301, it is necessary to input a sine wave having a desired voltage to the load 301. The control circuit 303 controls the SiC-MOSFET 304 to perform a pulse width modulation operation that dynamically changes the pulse width of the rectangular wave. The output rectangular wave is smoothed by passing through the inductor, and becomes a pseudo desired sine wave. The SiC-MOSFET 304 generates a rectangular wave for performing this pulse width modulation operation.

SiC-MOSFET304に、前述の実施例1または前述の実施例2の半導体装置を用いることにより、例えば、SiC-MOSFET304のオン抵抗が小さいので、冷却のためのヒートシンクなどの構造を小さくし、パワーモジュール302を小型化および軽量化することができ、ひいては電力変換装置を小型化および軽量化することができる。また、SiC-MOSFET304のゲート絶縁膜の信頼性が高いので、パワーモジュール302を長寿命化することができる。   By using the semiconductor device of the first embodiment or the second embodiment as the SiC-MOSFET 304, for example, since the on-resistance of the SiC-MOSFET 304 is small, the structure of a heat sink or the like for cooling is reduced, and the power module 302 can be reduced in size and weight, and thus the power converter can be reduced in size and weight. Moreover, since the reliability of the gate insulating film of the SiC-MOSFET 304 is high, the life of the power module 302 can be extended.

また、本実施の形態の電力変換装置は、3相モータシステムとすることができる。図10に示した負荷301は3相モータであり、スイッチング素子に前述の実施例1または前述の実施例2において説明した半導体装置を備えた電力変換装置を用いることにより、3相モータシステムの小型化や高性能化を実現することができる。   Further, the power conversion device of the present embodiment can be a three-phase motor system. The load 301 shown in FIG. 10 is a three-phase motor. By using the power conversion device including the semiconductor device described in the first embodiment or the second embodiment as a switching element, the load 301 is reduced in size. And high performance can be realized.

実施の形態7Embodiment 7

本実施の形態では、前述の実施の形態1〜5記載の半導体装置を備える電力変換装置を説明する。図11は、本実施の形態の電力変換装置(インバータ)を示す回路図である。   In the present embodiment, a power conversion device including the semiconductor device described in the first to fifth embodiments will be described. FIG. 11 is a circuit diagram showing the power conversion device (inverter) of the present embodiment.

図11に示すように、本実施の形態のインバータは、パワーモジュール402内にスイッチング素子としてSiC-MOSFET404を備えている。各単相において、端子を介して、電源電圧(Vcc)と負荷(例えばモータ)401の入力電位との間にSiC-MOSFET404が接続されている(上アーム)。負荷401の入力電位と接地電位(GND)との間にもSiC-MOSFET素子404が接続されている(下アーム)。つまり、負荷401では各単相に2つのSiC-MOSFET404が設けられており、3相で6つのスイッチング素子404が設けられている。そして、個々のSiC-MOSFET304のゲート電極には、端子410、411を介して、制御回路403が接続されており、この制御回路403によってSiC-MOSFET404が制御されている。従って、本実施の形態のインバータでは、制御回路403でパワーモジュール402内のSiC-MOSFET404を流れる電流を制御することにより、負荷401を駆動することができる。   As shown in FIG. 11, the inverter according to the present embodiment includes a SiC-MOSFET 404 as a switching element in a power module 402. In each single phase, SiC-MOSFET 404 is connected between the power supply voltage (Vcc) and the input potential of load (eg, motor) 401 (upper arm) via a terminal. An SiC-MOSFET element 404 is also connected between the input potential of the load 401 and the ground potential (GND) (lower arm). That is, in the load 401, two SiC-MOSFETs 404 are provided for each single phase, and six switching elements 404 are provided for three phases. A control circuit 403 is connected to the gate electrode of each SiC-MOSFET 304 via terminals 410 and 411, and the SiC-MOSFET 404 is controlled by this control circuit 403. Therefore, in the inverter of the present embodiment, the load 401 can be driven by controlling the current flowing through the SiC-MOSFET 404 in the power module 402 by the control circuit 403.

パワーモジュール402内のSiC-MOSFET404の機能について以下に説明する。SiC-MOSFETの機能の1つとして、本実施の形態でも実施の形態6と同様に、パルス幅変調動作を行うための矩形波を作り出す機能を有している。本実施の形態ではさらに、SiC-MOSFET404は、実施の形態6のダイオード305の役割も担う。例えば、モータのように負荷401にインダクタンスを含む場合、SiC-MOSFET404をOFFしたとき、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出しなければならない(還流電流)。実施の形態6では、ダイオード305がこの役割を担う。一方、本実施の形態では、同期整流駆動を用いるので、環流電流を流す役割をSiC-MOSFET404が担う。本実施の形態の同期整流駆動では、還流時にSiC-MOSFET404のゲートをONにし、SiC-MOSFET404を逆導通させる。   The function of the SiC-MOSFET 404 in the power module 402 will be described below. As one of the functions of the SiC-MOSFET, this embodiment also has a function of generating a rectangular wave for performing a pulse width modulation operation, as in the sixth embodiment. In the present embodiment, SiC-MOSFET 404 also plays a role of diode 305 of the sixth embodiment. For example, when the load 401 includes an inductance like a motor, when the SiC-MOSFET 404 is turned off, the energy stored in the inductance must be released (reflux current). In the sixth embodiment, the diode 305 plays this role. On the other hand, in the present embodiment, since the synchronous rectification drive is used, the SiC-MOSFET 404 plays a role of flowing a circulating current. In the synchronous rectification drive according to the present embodiment, the gate of the SiC-MOSFET 404 is turned on at the time of reflux, and the SiC-MOSFET 404 is turned on in reverse.

したがって、還流時導通損失はダイオードの特性ではなく、SiC-MOSFET404の特性で決まる。また、同期整流駆動を行う場合、上下アームが短絡することを防ぐため、上下のSiC-MOSFETが共にOFFとなる不動作時間が必要となる。この不動作時間の間はSiC-MOSFET404のドリフト層とp型ボディ層によって形成される内蔵PNダイオードが駆動する。ただし、SiCはキャリアの走行距離がSiより短く、不動作時間の間の損失は小さく、例えば、実施の形態6のダイオード305をSiCショットキーバリアダイオードとした場合と、同等である。   Therefore, the conduction loss during reflux is determined not by the characteristics of the diode but by the characteristics of the SiC-MOSFET 404. Further, when performing synchronous rectification drive, in order to prevent the upper and lower arms from being short-circuited, a non-operation time is required in which both the upper and lower SiC-MOSFETs are turned off. During this non-operation time, the built-in PN diode formed by the drift layer and the p-type body layer of the SiC-MOSFET 404 is driven. However, SiC has a shorter carrier travel distance than Si and a small loss during the non-operation time, which is equivalent to, for example, the case where the diode 305 of the sixth embodiment is a SiC Schottky barrier diode.

このように、本実施の形態では、SiC-MOSFET404に、前述の実施例1または前述の実施例2の半導体装置を用いることにより、例えば、SiC-MOSFET404が高性能な分、還流時の損失を小さくでき、さらなる高性能化が可能になる。また、還流ダイオードをSiC-MOSFET404とは別に設けないため、パワーモジュール402をさらに小型化することができる。   As described above, in the present embodiment, by using the semiconductor device of Example 1 or Example 2 described above for the SiC-MOSFET 404, for example, the loss of the reflux at the time of the high performance of the SiC-MOSFET 404 is achieved. It can be made smaller, and higher performance can be achieved. Further, since the free wheel diode is not provided separately from the SiC-MOSFET 404, the power module 402 can be further reduced in size.

また、本実施の形態の電力変換装置は、3相モータシステムとすることができる。図11に示した負荷401は3相モータであり、パワーモジュール402に、前述の実施の形態1〜5記載の半導体装置を備えることにより、3相モータシステムの小型化や高性能化を実現することができる。   Further, the power conversion device of the present embodiment can be a three-phase motor system. A load 401 shown in FIG. 11 is a three-phase motor, and the power module 402 includes the semiconductor device described in any of the first to fifth embodiments, thereby realizing downsizing and higher performance of the three-phase motor system. be able to.

実施の形態8Embodiment 8

実施の形態6または実施の形態7で説明した3相モータシステムは、ハイブリット自動車、電気自動車、燃料電池自動車などの自動車に用いることができる。本実施の形態では、3相モータシステムを搭載した自動車を、図12および図13を用いて説明する。   The three-phase motor system described in the sixth embodiment or the seventh embodiment can be used for a vehicle such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle. In the present embodiment, an automobile equipped with a three-phase motor system will be described with reference to FIGS.

図12は、本実施の電気自動車の構成を示す概略図である。   FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the electric vehicle of the present embodiment.

図12に示すように、本実施の電気自動車は、駆動輪501aおよび駆動輪501bが接続された駆動軸502に動力を入出力可能とする3相モータ503と、3相モータ503を駆動するためのインバータ504と、バッテリ505と、を備える。さらに、本実施例の電気自動車は、昇圧コンバータ508と、リレー509と、電子制御ユニット510と、を備える。昇圧コンバータ508は、インバータ504が接続された電力ライン506と、バッテリ505が接続された電力ライン507とに接続されている。   As shown in FIG. 12, the electric vehicle of the present embodiment drives a three-phase motor 503 that allows power to be input / output to / from a drive shaft 502 to which the drive wheels 501a and 501b are connected, and the three-phase motor 503. Inverter 504 and a battery 505. Further, the electric vehicle of this embodiment includes a boost converter 508, a relay 509, and an electronic control unit 510. Boost converter 508 is connected to power line 506 to which inverter 504 is connected and to power line 507 to which battery 505 is connected.

3相モータ503は、永久磁石が埋め込まれたロータと、3相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。インバータ504には、前述の実施の形態6または前述の実施の形態7において説明したインバータを用いることができる。   The three-phase motor 503 is a synchronous generator motor including a rotor embedded with permanent magnets and a stator wound with a three-phase coil. As the inverter 504, the inverter described in Embodiment 6 or 7 described above can be used.

図13に、本実施例の昇圧コンバータ508の回路図を示す。昇圧コンバータ508は図13に示すように、インバータ513に、リアクトル511および平滑用コンデンサ112が接続された構成からなる。インバータ513は、例えば、前述の実施の形態7で説明したインバータと同様の構成とすることができ、インバータ内の素子構成も同じである。本実施の形態でも、実施の形態7と同様にスイッチング素子をSiC-MOSFET514とし、同期整流駆動させる。なお、図12ではインバータは1相のみ示しているが、多相としてもよい。   FIG. 13 shows a circuit diagram of the boost converter 508 of this embodiment. As shown in FIG. 13, boost converter 508 has a configuration in which a reactor 511 and a smoothing capacitor 112 are connected to inverter 513. For example, the inverter 513 can have the same configuration as the inverter described in the seventh embodiment, and the element configuration in the inverter is the same. Also in the present embodiment, the switching element is the SiC-MOSFET 514 as in the seventh embodiment, and synchronous rectification driving is performed. In FIG. 12, only one phase of the inverter is shown, but it may be multiphase.

図12の電子制御ユニット510は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、入出力ポートとを備えており、3相モータ503のロータ位置を検出するセンサからの信号、またはバッテリ505の充放電値などを受信する。そして、インバータ504、昇圧コンバータ508、およびリレー509を制御するための信号を出力する。   The electronic control unit 510 shown in FIG. 12 includes a microprocessor, a storage device, and an input / output port. A signal from a sensor for detecting the rotor position of the three-phase motor 503, a charge / discharge value of the battery 505, and the like. Receive. Then, a signal for controlling inverter 504, boost converter 508, and relay 509 is output.

このように、本実施の形態によれば、電力変換装置であるインバータ504および昇圧コンバータ508に、実施の形態6や実施の形態7の電力変換装置を用いることができる。また、3相モータ503、およびインバータ504などからなる3相モータシステムに、前述の実施の形態6または前述の実施の形態7の3相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車の省エネルギー化、小型化、軽量化や電力変換装置の省スペース化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the power conversion device according to the sixth embodiment or the seventh embodiment can be used for inverter 504 and boost converter 508 which are power conversion devices. Further, the three-phase motor system of the sixth embodiment or the seventh embodiment described above can be used for a three-phase motor system including the three-phase motor 503 and the inverter 504. Thereby, the energy saving of an electric vehicle, size reduction, weight reduction, and space saving of a power converter device can be achieved.

なお、本実施の形態では、電気自動車について説明したが、エンジンも併用するハイブリット自動車、バッテリ505が燃料電池スタックとなった燃料電池自動車にも同様に上述の3相モータシステムを適用することができる。   In the present embodiment, the electric vehicle has been described. However, the above-described three-phase motor system can be similarly applied to a hybrid vehicle that also uses an engine and a fuel cell vehicle in which the battery 505 is a fuel cell stack. .

実施の形態9Embodiment 9

実施の形態6および実施の形態7の3相モータシステムは、鉄道車両に用いることができる。本実施の形態では、3相モータシステムを用いた鉄道車両を説明する。   The three-phase motor system of the sixth embodiment and the seventh embodiment can be used for a railway vehicle. In the present embodiment, a railway vehicle using a three-phase motor system will be described.

図14は、本実施の形態の鉄道車両のコンバータおよびインバータを含む回路図である。   FIG. 14 is a circuit diagram including a converter and an inverter of the railway vehicle of the present embodiment.

図14に示すように、鉄道車両には架線OW(例えば25kV)からパンタグラフPGを介して電力が供給される。トランス609を介して電圧が1.5kVまで降圧され、コンバータ607で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ608を介してインバータ602で直流から交流に変換されて、負荷601である3相モータが駆動される。コンバータ607内の素子構成は実施の形態6のようにSiC-MOSFETおよびダイオードを併用してもよく、また実施の形態7のようにSiC-MOSFET単独でもよい。   As shown in FIG. 14, electric power is supplied to the railway vehicle from an overhead line OW (for example, 25 kV) via a pantograph PG. The voltage is stepped down to 1.5 kV via the transformer 609 and converted from alternating current to direct current by the converter 607. Further, the inverter 602 converts the direct current into the alternating current through the capacitor 608, and the three-phase motor as the load 601 is driven. The element configuration in converter 607 may be a SiC-MOSFET and a diode used together as in the sixth embodiment, or a SiC-MOSFET alone as in the seventh embodiment.

本実施の形態では、実施の形態7のようにスイッチング素子をSiC-MOSFET604として同期整流駆動させる。なお、図14では、実施の形態7で説明した制御回路は省略している。また、図中、符号RTは線路、符号WHは車輪を示す。   In the present embodiment, the switching element is synchronously rectified and driven as the SiC-MOSFET 604 as in the seventh embodiment. In FIG. 14, the control circuit described in the seventh embodiment is omitted. Moreover, in the figure, symbol RT indicates a track, and symbol WH indicates a wheel.

このように本実施の形態によればコンバータ607に、実施の形態6または実施の形態7の電力変換装置を用いることができる。また、負荷601、インバータ602、および制御回路からなる3相モータシステムに、実施の形態6または実施の形態7の3相モータシステムを用いることができる。これにより、鉄道車両の省エネルギー化や、3相モータシステムを含む床下部品の小型化による低床化および軽量化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, power converter of the sixth embodiment or seventh embodiment can be used for converter 607. Further, the three-phase motor system according to the sixth embodiment or the seventh embodiment can be used for the three-phase motor system including the load 601, the inverter 602, and the control circuit. As a result, energy saving of the railway vehicle and reduction in floor and weight by downsizing the underfloor parts including the three-phase motor system can be achieved.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace the configurations of other embodiments with respect to a part of the configurations of the embodiments.

トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができる。   The functions of the “source” and “drain” of the transistor may be switched when a transistor with a different polarity is used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。   In this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

本発明は、炭化ケイ素を用いた半導体装置およびその半導体装置の製造方法、ならびにその半導体装置を用いたパワーモジュール、インバータ、自動車および鉄道車両に適用して有効である。   The present invention is effective when applied to a semiconductor device using silicon carbide, a method for manufacturing the semiconductor device, and a power module, an inverter, an automobile, and a railway vehicle using the semiconductor device.

1 炭化珪素基板
2 ドリフト層
10 ベース領域
11 ベースコンタクト領域
20 ソース領域
21 ドレイン領域
30 マスク
32 ゲート絶縁膜
33 層間膜
40 ゲート材料膜
41 ソースベースコンタクト共通電極
42 ドレインコンタクト電極
51 ソースベース共通コンタクト
52 ドレインコンタクト
301 負荷
302 パワーモジュール
303 制御回路
304 SiC-MOSFET
305 ダイオード
306〜312 端子
401 負荷
402 パワーモジュール
403 制御回路
404 SiC-MOSFET
405〜411 端子
501a 駆動輪
501b 駆動輪
502 駆動軸
503 3相モータ
504 インバータ
505 バッテリ
506 電力ライン
507 電力ライン
508 昇圧コンバータ
509 リレー
510 電子制御ユニット
511 リアクトル
512 平滑用コンデンサ
513 インバータ
514 SiC-MOSFET
601 負荷
602 インバータ
607 コンバータ
608 キャパシタ
609 トランス
OW 架線
PG パンタグラフ
RT 線路
WH 車輪
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon carbide substrate 2 Drift layer 10 Base region 11 Base contact region 20 Source region 21 Drain region 30 Mask 32 Gate insulating film 33 Interlayer film 40 Gate material film 41 Source base contact common electrode 42 Drain contact electrode 51 Source base common contact 52 Drain Contact 301 Load 302 Power module 303 Control circuit 304 SiC-MOSFET
305 Diode 306 to 312 Terminal 401 Load 402 Power module 403 Control circuit 404 SiC-MOSFET
405 to 411 Terminal 501a Drive wheel 501b Drive wheel 502 Drive shaft 503 Three-phase motor 504 Inverter 505 Battery 506 Power line 507 Power line 508 Boost converter 509 Relay 510 Electronic control unit 511 Reactor 512 Smoothing capacitor 513 Inverter 514 SiC-MOSFET
601 Load 602 Inverter 607 Converter 608 Capacitor 609 Transformer OW Overhead line PG Pantograph RT Line WH Wheel

Claims (15)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備え、
前記単位セルの其々は、
第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有し、
前記単位セルの前記ベース領域から、前記他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展する第2導電型の電界緩和領域と、
前記ソース領域、及び前記ベースコンタクト領域上に、それぞれの領域の少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、
前記ソース領域、前記ベース領域、前記ドリフト領域、及び前記電界緩和領域上に、それぞれの領域の少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drift region of a first conductivity type formed on the semiconductor substrate;
A plurality of unit cells periodically formed at intervals in the surface layer of the drift region,
Each of the unit cells is
A base region of a second conductivity type;
A source region of a first conductivity type formed so as to be surrounded by the base region in the base region;
A second contact type base contact region having a higher impurity concentration than the base region formed in contact with the base region,
An electric field relaxation region of a second conductivity type extending from the base region of the unit cell in a range not connected to the base region of the other unit cell;
A first external connection electrode formed on the source region and the base contact region so as to cover at least a part of each region;
A gate insulating film formed on the source region, the base region, the drift region, and the electric field relaxation region so as to cover at least a part of each region;
A semiconductor device comprising:
相互に最も近接した前記単位セルの組でセルのグループを定義した場合、当該単位セルのグループの幾何学的重心位置よりオフ方向側にシフトした点をカバーするように、前記第2導電型の電界緩和領域が伸展していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   When a group of cells is defined by a set of the unit cells closest to each other, the second conductivity type of the second conductivity type is covered so as to cover a point shifted to the off direction side from the geometric center of gravity of the unit cell group. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the electric field relaxation region extends. 前記単位セルの形状を前記ベース領域の形状で定義した場合、
前記単位セルの其々は前記ドリフト領域の表層直上から見た形状が多角形であり、
当該単位セルの角部のうち、オフ方向側を向いていない角部の少なくとも一つから、前記シフトした位置に向けて、前記第2導電型の電界緩和領域が伸展していることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
When the shape of the unit cell is defined by the shape of the base region,
Each of the unit cells has a polygonal shape as viewed from directly above the surface layer of the drift region,
The electric field relaxation region of the second conductivity type extends from at least one of the corner portions of the unit cell not facing the off direction side toward the shifted position. The semiconductor device according to claim 2.
前記単位セルの形状は、矩形、正方形、あるいは六角形であり、
前記単位セルは矩形格子、正方格子、あるいは六角格子状に配列されることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
The unit cell has a rectangular, square, or hexagonal shape,
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the unit cells are arranged in a rectangular lattice, a square lattice, or a hexagonal lattice.
前記第2導電型の電界緩和領域の前記ドリフト領域の表層直上から見た形状が、曲線で構成されるか、あるいは、2つ以上の角で構成され一つの角度が90度以上となる事を特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The shape of the electric field relaxation region of the second conductivity type viewed from directly above the surface layer of the drift region is configured with a curve, or configured with two or more corners, and one angle is 90 degrees or more. The semiconductor device according to claim 1. 前記第2導電型の電界緩和領域の不純物濃度が、5×1018〜1×1021cm−3を満たす範囲であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the second conductivity type electric field relaxation region is in a range satisfying 5 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . 前記単位セルの形状が矩形あるいは正方形であり、
前記単位セルは矩形格子あるいは正方格子状に配列され、
前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記単位セルの前記ベース領域の複数ある角部の少なくとも一つから、第2近接となる他の単位セルのベース領域の複数ある角部のうち最も近い角部方向に、当該他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展し、
当該第2導電型の電界緩和領域の伸展長さが、以下の不等式を満足する、請求項2記載の半導体装置。

J2−LJ1<L<LJ2
:基点となる前記ベース領域の角部から前記電界緩和領域端部までの長さ
J1:基点となる前記ベース領域の角部と第1近接となる他の前記単位セルのベース領域角部の間の距離
J2:基点となる前記ベース領域の角部と第2近接となる他の前記単位セルのベース領域角部の間の距離
The unit cell has a rectangular or square shape;
The unit cells are arranged in a rectangular lattice or a square lattice,
The electric field relaxation region of the second conductivity type is
From at least one of the plurality of corners of the base region of the unit cell to the closest corner of the plurality of corners of the base region of another unit cell that is in the second proximity, the other unit cell Extends within the range not connected to the base area,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the extension length of the electric field relaxation region of the second conductivity type satisfies the following inequality.

L J2 -L J1 <L E < L J2
L E : Length from the corner of the base region serving as a base point to the end of the electric field relaxation region L J1 : The base region angle of another unit cell that is close to the corner of the base region serving as a base point L J2 : Distance between the corners of the base region serving as the base point and the base region corners of the other unit cells serving as the second proximity
前記単位セルの形状が六角形であり、
前記単位セルは六角格子状に配列され、
前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記単位セルの前記ベース領域の複数ある角部の少なくとも一つから、第1近接となる他の2つの単位セルのベース領域の角部を直線で結んだ中点の方向に他のセル角部と接続しない範囲で伸展し、
当該第2導電型の電界緩和領域の伸展長さが、以下の不等式を満足する、請求項2記載の半導体装置。

<LJ1
:基点となるベース領域の角部から前記電界緩和領域端部までの長さ
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
The unit cell has a hexagonal shape;
The unit cells are arranged in a hexagonal lattice,
The electric field relaxation region of the second conductivity type is
Other cell corners in the direction of the midpoint connecting the corners of the base regions of the other two unit cells in the first proximity with a straight line from at least one of the plurality of corners of the base region of the unit cell Extend within the range not connected to
The semiconductor device according to claim 2, wherein the extension length of the electric field relaxation region of the second conductivity type satisfies the following inequality.

L E <L J1
L E : Length from the corner of the base region serving as the base point to the end of the electric field relaxation region L J1 : The distance between the corner of the base region serving as the base point and the other cell corner serving as the first proximity
半導体装置をスイッチング素子として用いた電力変換装置であって、
前記半導体装置は、
第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備え、
前記単位セルの其々は、
第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有し、
前記単位セルの前記ベース領域から、前記他の単位セルのベース領域と接続しない範囲で伸展する第2導電型の電界緩和領域と、
前記ソース領域、及び前記ベースコンタクト領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、
前記ソース領域、前記ベース領域、前記ドリフト領域、及び前記電界緩和領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
A power conversion device using a semiconductor device as a switching element,
The semiconductor device includes:
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drift region of a first conductivity type formed on the semiconductor substrate;
A plurality of unit cells periodically formed at intervals in the surface layer of the drift region,
Each of the unit cells is
A base region of a second conductivity type;
A source region of a first conductivity type formed so as to be surrounded by the base region in the base region;
A second contact type base contact region having a higher impurity concentration than the base region formed in contact with the base region,
An electric field relaxation region of a second conductivity type extending from the base region of the unit cell in a range not connected to the base region of the other unit cell;
A first external connection electrode formed on the source region and the base contact region so as to cover at least a part of each region;
A gate insulating film formed on the source region, the base region, the drift region, and the electric field relaxation region so as to cover at least a part of each region;
A power conversion device comprising:
第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層に間隔を開けて周期的に形成された複数の単位セルを備え、
前記単位セルの其々は、
第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域において当該ベース領域に囲まれるように形成される第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接して形成される前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、を有し、
前記単位セルの前記ベース領域から伸展する第2導電型の電界緩和領域と、
前記ソース領域、及び前記ベースコンタクト領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成された第一の外部接続電極と、
前記ソース領域、前記ベース領域、前記ドリフト領域、及び前記電界緩和領域上に、それぞれの領域と少なくとも一部に被る様に形成されたゲート絶縁膜とを備え、
相互に最も近接した前記単位セルの組でセルのグループを定義した場合、当該単位セルのグループの幾何学的重心位置よりオフ方向側にシフトした点に向けて、前記第2導電型の電界緩和領域が伸展していることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A drift region of a first conductivity type formed on the semiconductor substrate;
A plurality of unit cells periodically formed at intervals in the surface layer of the drift region,
Each of the unit cells is
A base region of a second conductivity type;
A source region of a first conductivity type formed so as to be surrounded by the base region in the base region;
A second contact type base contact region having a higher impurity concentration than the base region formed in contact with the base region,
A second conductivity type electric field relaxation region extending from the base region of the unit cell;
A first external connection electrode formed on the source region and the base contact region so as to cover at least a part of each region;
On the source region, the base region, the drift region, and the electric field relaxation region, each region and a gate insulating film formed to cover at least part of the region,
When a cell group is defined by the set of unit cells closest to each other, the electric field relaxation of the second conductivity type toward a point shifted to the off-direction side from the geometric center of gravity of the unit cell group. A semiconductor device characterized in that a region is extended.
前記単位セルの形状が矩形あるいは正方形であり、
前記単位セルは矩形格子あるいは正方格子状に配列され、
前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記単位セルの前記ベース領域の角部の一つから、第2近接となる他の単位セルの前記ベース領域の直近の角部方向に伸展し、
当該電界緩和領域は、前記ベース領域の角部の一つと、前記第2近接となる他の単位セルのベース領域の直近の角部を結ぶ直線から、オフ方向側にシフトした位置に配置されていることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
The unit cell has a rectangular or square shape;
The unit cells are arranged in a rectangular lattice or a square lattice,
The electric field relaxation region of the second conductivity type is
Extending from one of the corners of the base region of the unit cell in the direction of the nearest corner of the base region of the other unit cell in the second proximity,
The electric field relaxation region is arranged at a position shifted to the off-direction side from a straight line connecting one corner of the base region and the nearest corner of the base region of another unit cell in the second proximity. The semiconductor device according to claim 10.
X方向をオフ方向とし、Y方向をオフ方向と垂直とし、4つの前記単位セルに囲まれた領域の幾何学的重心を原点としたとき、
前記囲まれた領域における前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記4つの単位セルのうち第2近接の関係にある第1および第2の単位セルのベース領域の対向する角部を接続するとともに、第2近接の関係にある第3および第4の単位セルのベース領域の対向する角部を接続する、十字形状のp型の電界緩和領域であり、
当該十字形状の電界緩和領域の幾何学的重心位置が(N,0)となり、Nが以下の不等式を満たす事を特徴とする請求項11記載の半導体装置。

0<N<LJ1/2
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
When the X direction is the off direction, the Y direction is perpendicular to the off direction, and the geometric center of gravity of the region surrounded by the four unit cells is the origin,
The electric field relaxation region of the second conductivity type in the enclosed region is
Among the four unit cells, third and fourth unit cells that connect opposite corners of the base regions of the first and second unit cells that are in a second proximity relationship and that are in a second proximity relationship. A cross-shaped p-type electric field relaxation region connecting opposite corners of the base region of
12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the geometric gravity center position of the cross-shaped electric field relaxation region is (N, 0), and N satisfies the following inequality.

0 <N <L J1 / 2
N: Distance between the intersection of the base region corner and the base region corner of the second adjacent cell with a line and the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong L J1 : Corner of the base region serving as the base point Between the other cell corner and the first proximity
X方向をオフ方向とし、Y方向をオフ方向と垂直とし、4つの単位セルに囲まれた領域の重心を原点としたとき、
前記囲まれた領域における前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記4つの単位セルのうち第2近接の関係にある第1および第2の単位セルのベース領域の対向する角部を接続するとともに、第2近接の関係にある第3および第4の単位セルのベース領域の対向する角部を接続しない、直線形状のp型の電界緩和領域であり、
当該直線形状のp型の電界緩和領域の重心位置が(N,0)となり、Nが以下の不等式を満たす事を特徴とする請求項11記載の半導体装置。

0<N<LJ1/2
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
When the X direction is the off direction, the Y direction is perpendicular to the off direction, and the center of gravity of the area surrounded by the four unit cells is the origin,
The electric field relaxation region of the second conductivity type in the enclosed region is
Among the four unit cells, third and fourth unit cells that connect opposite corners of the base regions of the first and second unit cells that are in a second proximity relationship and that are in a second proximity relationship. A linear p-type electric field relaxation region that does not connect opposite corners of the base region of
12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the gravity center position of the linear p-type electric field relaxation region is (N, 0), and N satisfies the following inequality.

0 <N <L J1 / 2
N: Distance between the intersection of the base region corner and the base region corner of the second adjacent cell with a line and the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong L J1 : Corner of the base region serving as the base point Between the other cell corner and the first proximity
X方向をオフ方向とし、Y方向をオフ方向と垂直とし、4つの単位セルに囲まれた領域の重心を原点としたとき、
前記囲まれた領域における前記第2導電型の電界緩和領域は、
前記4つの単位セルのうち第1近接の関係にある第1および第2の単位セルのベース領域の対向する角部を接続するとともに、第1近接の関係にある第3および第4の単位セルのベース領域の対向する角部を接続しない、V字形状のp型の電界緩和領域であり、
当該V字形状の電界緩和領域の屈曲部が座標(N,0)を覆い、Nが以下の不等式を満たす事を特徴とする請求項11記載の炭化珪素半導体装置。

0<N<LJ1/2
N:ベース領域角部と第2近接となるセルのベース領域角部をそれぞれ線で結んだ交点とゲート絶縁膜に掛かる電界が強くなる点間の距離
J1:基点となるベース領域の角部と第1近接となる他のセル角部の間の距離
When the X direction is the off direction, the Y direction is perpendicular to the off direction, and the center of gravity of the area surrounded by the four unit cells is the origin,
The electric field relaxation region of the second conductivity type in the enclosed region is
Among the four unit cells, the first and second unit cells in the first proximity relationship connect the opposite corners of the base region, and the third and fourth unit cells in the first proximity relationship A V-shaped p-type field relaxation region that does not connect opposite corners of the base region of
The silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the bent portion of the V-shaped electric field relaxation region covers coordinates (N, 0), and N satisfies the following inequality.

0 <N <L J1 / 2
N: Distance between the intersection of the base region corner and the base region corner of the second adjacent cell with a line and the point where the electric field applied to the gate insulating film becomes strong L J1 : Corner of the base region serving as the base point Between the other cell corner and the first proximity
前記第2導電型の電界緩和領域の不純物濃度が、前記ベース領域または前記ベースコンタクト領域と、共通マスクを用いて形成できる濃度であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。   11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the impurity concentration of the second conductivity type electric field relaxation region is a concentration that can be formed using a common mask with the base region or the base contact region.
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