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技術 炭化珪素半導体装置

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 大岡篤志堀川信之内田正雄
出願日 2018年2月8日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2018-021067
公開日 2019年8月22日 (10ヶ月経過) 公開番号 2019-140203
状態 未査定
技術分野 縦型MOSトランジスタ
主要キーワード 延伸部分 ゲート上部電極 炭化珪素半導体層 高速スイッチング動作 炭化珪素ウエハ PN接合容量 千鳥格子状 変位電流
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

ゲート絶縁膜絶縁破壊を抑制し、安全性の高い炭化珪素半導体装置を提供する。

解決手段

炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体基板に設けられた複数のユニットセル100uを含み、各ユニットセル100uはMISFET構造を有する。複数のユニットセル100uに隣接して配置されたゲート上部電極150は、ゲートパッド151とゲートグローバル配線152とを備え、平面視において、ゲート電極108はゲートパッド151と重なっていない。

概要

背景

パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている。従来は、シリコン(Si)基板を用いたパワー半導体デバイスが主流であったが、近年、炭化珪素(SiC)基板を用いたパワー半導体デバイスが注目され、開発が進められている。

炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて材料自体絶縁破壊電界が一桁高いので、pn接合部またはショットキー接合部における空乏層を薄くしても耐圧を維持することができるという特徴を有している。このため、炭化珪素を用いると、デバイスの厚さを小さくすることができ、また、ドーピング濃度を高めることができるので、炭化珪素は、オン抵抗が低く、高耐圧で低損失のパワー半導体デバイスを形成するための材料として期待されている。

近年、ハイブリッド車電気自動車燃料電池自動車など、モータ駆動源とする車両が開発されている。上述した特徴は、これらの車両のモータを駆動するインバータ回路スイッチング素子に有利であるため、車載用炭化珪素パワー半導体デバイスが開発されている。

SiCを用いた代表的な半導体素子として、金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ(Metal−Insulator−Semiconductor Field−Effect Transistor:MISFET)が挙げられる。金属−酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor:MOSFET)は、MISFETの一種である。SiCを用いたMISFETは、通常、トランジスタ構造を有する複数のユニットセルが2次元に配列された活性領域を有している。これらのユニットセルは並列に接続されている。

炭化珪素パワー半導体デバイスをスイッチング素子として用いる場合、PN接合容量に起因する変位電流が生じ、電界効果型トランジスタゲート絶縁膜破壊するなどの課題が生じ得ることが知られている。特許文献1、2は、このような絶縁破壊の発生を抑制する構造を開示している。

概要

ゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制し、安全性の高い炭化珪素半導体装置を提供する。炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体基板に設けられた複数のユニットセル100uを含み、各ユニットセル100uはMISFET構造を有する。複数のユニットセル100uに隣接して配置されたゲート上部電極150は、ゲートパッド151とゲートグローバル配線152とを備え、平面視において、ゲート電極108はゲートパッド151と重なっていない。A

目的

パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

第1導電型ドリフト層を含む第1導電型の炭化珪素半導体基板と、前記ドリフト層の表面に離散的に形成された複数の第2導電型の第1ボディ領域と、前記複数の第1ボディ領域内にそれぞれ位置する複数の第1導電型のソース領域と、前記ドリフト層の表面に形成されており、前記表面から見て前記複数の第1ボディ領域に隣接し、帯形状部分を含む複数の第1部分、および、複数の前記第1部分と接続された第2部分を含む第2導電型の第2ボディ領域と、前記複数の第1ボディ領域と、前記ソース領域と、前記第2ボディ領域との上に位置するゲート絶縁膜と、前記複数の第1ボディ領域と、前記複数のソース領域の一部と、前記第2ボディ領域の前記第1部分とにおいて、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極、前記ゲート電極から露出したゲート絶縁膜および前記第2ボディ領域の第2部分上に位置する層間絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜に設けられ、前記各ソース領域に位置する複数のソースコンタクトと、前記複数のソースコンタクトを介して前記ソース領域と電気的に接続し、前記層間絶縁膜の一部上に位置するソースパッドと、前記第2ボディ領域の複数の第1部分において、前記層間絶縁膜に設けられ、前記ゲート電極の一部を露出するゲートコンタクトと、前記第2ボディ領域の前記第2部分において、前記層間絶縁膜上に位置するゲートパッドと、前記第2ボディ領域の複数の第1部分において、前記ゲートコンタクトを介して前記ゲート電極と電気的に接続し、前記ゲートパッドと接続しているゲートグローバル配線と、を備え、前記ドリフト層の表面からみて、前記ゲート電極は前記ゲートパッドと重なっていない、炭化珪素半導体装置

請求項2

前記層間絶縁膜および前記ゲート絶縁膜に設けられ、前記ドリフト層の表面からみて、前記ゲートパッドの外縁の一部に沿って伸び、前記第2ボディ領域の第2部分に位置する第1ボディコンタクトをさらに備え、前記ソースパッドは前記第1ボディコンタクトを介して前記第2ボディ領域の第2部分と電気的に接続されている、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。

請求項3

前記第1ボディコンタクトは、前記ゲートグローバル配線に沿って伸び、前記第2ボディ領域の第1部分を露出する部分をさらに含む請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。

請求項4

前記ドリフト層の表面からみて、前記第1ボディコンタクトは、前記ゲート電極と前記ゲートパッドとの間に位置している、請求項2または3に記載の炭化珪素半導体装置。

請求項5

前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜に設けられ、前記複数のソースコンタクトと前記ゲートコンタクトの間であって、前記第2ボディ領域の第1部分に位置する、第2ボディコンタクトをさらに備え、前記ソースパッドは前記第2ボディコンタクトを介して前記第2ボディ領域の第1部分と電気的に接続されている、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。

請求項6

前記複数の第1ボディ領域のソース領域内に形成され、前記第1ボディ領域に達する第2導電型の第1コンタクト領域と、前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続されたソース電極と、前記第2ボディ領域内に形成された、第2導電型の第2コンタクト領域と、前記第2ボディ領域内に形成された、第2導電型の第3コンタクト領域と、前記第2コンタクト領域と電気的に接続された第1ベース電極と、前記第3コンタクト領域と電気的に接続された第2ベース電極と、をさらに備え、前記ソースコンタクトは前記ソース電極を露出し、前記第1ボディコンタクトは前記第1ベース電極を露出し、前記第2ボディコンタクトは前記第2ベース電極を露出している、請求項1から5のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。

請求項7

前記第2コンタクト領域は前記第1ベース電極に三辺を囲まれた前記第2ボディ領域内の少なくとも一部に位置し、前記第3コンタクト領域は離散した前記第2ベース電極に挟まれた前記第2ボディ領域内の少なくとも一部に位置している、請求項1から6のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。

技術分野

0001

本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。

背景技術

0002

パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている。従来は、シリコン(Si)基板を用いたパワー半導体デバイスが主流であったが、近年、炭化珪素(SiC)基板を用いたパワー半導体デバイスが注目され、開発が進められている。

0003

炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて材料自体絶縁破壊電界が一桁高いので、pn接合部またはショットキー接合部における空乏層を薄くしても耐圧を維持することができるという特徴を有している。このため、炭化珪素を用いると、デバイスの厚さを小さくすることができ、また、ドーピング濃度を高めることができるので、炭化珪素は、オン抵抗が低く、高耐圧で低損失のパワー半導体デバイスを形成するための材料として期待されている。

0004

近年、ハイブリッド車電気自動車燃料電池自動車など、モータ駆動源とする車両が開発されている。上述した特徴は、これらの車両のモータを駆動するインバータ回路スイッチング素子に有利であるため、車載用炭化珪素パワー半導体デバイスが開発されている。

0005

SiCを用いた代表的な半導体素子として、金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ(Metal−Insulator−Semiconductor Field−Effect Transistor:MISFET)が挙げられる。金属−酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor:MOSFET)は、MISFETの一種である。SiCを用いたMISFETは、通常、トランジスタ構造を有する複数のユニットセルが2次元に配列された活性領域を有している。これらのユニットセルは並列に接続されている。

0006

炭化珪素パワー半導体デバイスをスイッチング素子として用いる場合、PN接合容量に起因する変位電流が生じ、電界効果型トランジスタゲート絶縁膜破壊するなどの課題が生じ得ることが知られている。特許文献1、2は、このような絶縁破壊の発生を抑制する構造を開示している。

先行技術

0007

国際公開第2012/001837号公報
特開2015−76414号公報

発明が解決しようとする課題

0008

上述の従来技術の炭化珪素半導体装置では、絶縁破壊の発生を抑制するのに十分ではない場合がある。本開示の一態様は、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制し、信頼性の高い炭化珪素半導体装置を提供する。

課題を解決するための手段

0009

本開示の炭化珪素半導体装置は、第1導電型ドリフト層を含む第1導電型の炭化珪素半導体基板と、前記ドリフト層の表面に離散的に形成された複数の第2導電型の第1ボディ領域と、前記複数の第1ボディ領域内にそれぞれ位置する複数の第1導電型のソース領域と、前記ドリフト層の表面に形成されており、前記表面から見て前記複数の第1ボディ領域に隣接し、帯形状部分を含む複数の第1部分、および、複数の前記第1部分と接続された第2部分を含む第2導電型の第2ボディ領域と、前記複数の第1ボディ領域と、前記ソース領域と、前記第2ボディ領域との上に位置するゲート絶縁膜と、前記複数の第1ボディ領域と、前記複数のソース領域の一部と、前記第2ボディ領域の前記第1部分とにおいて、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極、前記ゲート電極から露出したゲート絶縁膜および前記第2ボディ領域の第2部分上に位置する層間絶縁膜と、記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜に設けられ、前記各ソース領域に位置する複数のソースコンタクトと、前記複数のソースコンタクトを介して前記ソース領域と電気的に接続し、前記層間絶縁膜の一部上に位置するソースパッドと、前記第2ボディ領域の複数の第1部分において、前記層間絶縁膜に設けられ、前記ゲート電極の一部を露出するゲートコンタクトと、前記第2ボディ領域の前記第2部分において、前記層間絶縁膜上に位置するゲートパッドと、前記第2ボディ領域の複数の第1部分において、前記ゲートコンタクトを介して前記ゲート電極と電気的に接続し、前記ゲートパッドと接続しているゲートグローバル配線とを備え、前記ドリフト層の表面からみて、前記ゲート電極は前記ゲートパッドと重なっていない。

発明の効果

0010

本開示の一態様によれば、高速スイッチング動作時のゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制し、安全性の高い炭化珪素半導体装置を実現することが可能である。

図面の簡単な説明

0011

図1Aは、実施形態の炭化珪素半導体装置を示す平面図である。
図1Bは、炭化珪素半導体装置の炭化珪素半導体基板表面における各領域を示す平面図である。
図2Aは、図1Aの領域2Aの拡大平面図であって、ソースパッドを取り除いた構造を示している。
図2Bは、図1Aの2B−2B線における炭化珪素半導体装置の断面図である。
図2Cは、図1Aの2C−2C線における炭化珪素半導体装置の断面図である。
図3Aは、従来の設計思想に基づく炭化珪素半導体装置の図2Aに対応する拡大平面図である。
図3Bは、従来の設計思想に基づく炭化珪素半導体装置の図2Bに対応する断面図である。
図3Cは、従来の設計思想に基づく炭化珪素半導体装置の図2Cに対応する断面図である。

実施例

0012

本開示の炭化珪素半導体装置の概要は以下の通りである。

0013

本開示の炭化珪素半導体装置は、第1導電型のドリフト層を含む第1導電型の炭化珪素半導体基板と、前記ドリフト層の表面に離散的に形成された複数の第2導電型の第1ボディ領域と、前記複数の第1ボディ領域内にそれぞれ位置する複数の第1導電型のソース領域と、前記ドリフト層の表面に形成されており、前記表面から見て前記複数の第1ボディ領域に隣接し、帯形状部分を含む複数の第1部分、および、複数の前記第1部分と接続された第2部分を含む第2導電型の第2ボディ領域と、前記複数の第1ボディ領域と、前記ソース領域と、前記第2ボディ領域との上に位置するゲート絶縁膜と、前記複数の第1ボディ領域と、前記複数のソース領域の一部と、前記第2ボディ領域の前記第1部分とにおいて、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極、前記ゲート電極から露出したゲート絶縁膜および前記第2ボディ領域の第2部分上に位置する層間絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜に設けられ、前記各ソース領域に位置する複数のソースコンタクトと、前記複数のソースコンタクトを介して前記ソース領域と電気的に接続し、前記層間絶縁膜の一部上に位置するソースパッドと、前記第2ボディ領域の複数の第1部分において、前記層間絶縁膜に設けられ、前記ゲート電極の一部を露出するゲートコンタクトと、前記第2ボディ領域の前記第2部分において、前記層間絶縁膜上に位置するゲートパッドと、前記第2ボディ領域の複数の第1部分において、前記ゲートコンタクトを介して前記ゲート電極と電気的に接続し、前記ゲートパッドと接続しているゲートグローバル配線とを備え、前記ドリフト層の表面からみて、前記ゲート電極は前記ゲートパッドと重なっていない。

0014

前記層間絶縁膜および前記ゲート絶縁膜に設けられ、前記ドリフト層の表面からみて、前記ゲートパッドの外縁の一部に沿って伸び、前記第2ボディ領域の第2部分に位置する第1ボディコンタクトをさらに備え、前記ソースパッドは前記第1ボディコンタクトを介して前記第2ボディ領域の第2部分と電気的に接続されていてもよい。

0015

前記第1ボディコンタクトは、前記ゲートグローバル配線に沿って伸び、前記第2ボディ領域の第1部分を露出する部分をさらに含んでいてもよい。

0016

前記ドリフト層の表面からみて、前記第1ボディコンタクトは、前記ゲート電極と前記ゲートパッドとの間に位置していてもよい。

0017

前記ゲート絶縁膜および前記層間絶縁膜に設けられ、前記複数のソースコンタクトと前記ゲートコンタクトの間であって、前記第2ボディ領域の第1部分に位置する、第2ボディコンタクトをさらに備え、
前記ソースパッドは前記第2ボディコンタクトを介して前記第2ボディ領域の第1部分と電気的に接続されていてもよい。

0018

前記炭化珪素半導体装置は、前記複数の第1ボディ領域のソース領域内に形成され、前記第1ボディ領域に達する第2導電型の第1コンタクト領域と、前記第1コンタクト領域および前記ソース領域と電気的に接続されたソース電極と、前記第2ボディ領域内に形成された、第2導電型の第2コンタクト領域と、前記第2ボディ領域内に形成された、第2導電型の第3コンタクト領域と、前記第2コンタクト領域と電気的に接続された第1ベース電極と、前記第3コンタクト領域と電気的に接続された第2ベース電極とをさらに備え、前記ソースコンタクトは前記ソース電極を露出し、前記第1ボディコンタクトは前記第1ベース電極を露出し、前記第2ボディコンタクトは前記第2ベース電極を露出していてもよい。

0019

前記第2コンタクト領域は前記第1ベース電極に三辺を囲まれた前記第2ボディ領域内の少なくとも一部に位置し、前記第3コンタクト領域は離散した前記第2ベース電極に挟まれた前記第2ボディ領域内の少なくとも一部に位置していてもよい。

0020

以下、図面を参照しながら、本開示の炭化珪素半導体装置の実施形態を説明する。

0021

図1Aは、本実施形態の炭化珪素半導体装置201の平面図である。炭化珪素半導体装置201は、本実施形態では、金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ(MISFET)である。炭化珪素半導体装置201は、炭化珪素半導体基板101と、炭化珪素半導体基板101の第1主面101aに設けられたゲート上部電極150とソース上部電極160とを備える。

0022

炭化珪素半導体基板101は、第1主面101aにおいて、1または複数の活性領域を含む。本実施形態では、炭化珪素半導体基板101は、活性領域100A、100Bを含む。炭化珪素半導体装置201は、複数の縦型トランジスタが並列に接続された構造を備える。活性領域100A、100Bは、各トランジスタを構成しているユニットセルが複数配置された領域である。本実施形態では、活性領域100A、100Bは、それぞれ、矩形形状の頂点の1つを切り欠いた形状を有し、切り欠き部分が隣接するように、第1主面101aに配置されている。

0023

ゲート上部電極150は、ゲートパッド151と、複数のゲートグローバル配線152とを含む。本実施形態では、ゲート上部電極150は、ゲートグローバル配線152A、152B、152Cを含む。ゲートパッド151は、外部からゲート電圧印加するためのボンディングワイヤ配線を接続するための領域であり、仕様等に応じた大きさを有する。ゲートグローバル配線152A、152B、152Cは、それぞれゲートパッド151と接続されている。本実施形態では、ゲートグローバル配線152A、152BはL字形状を有し、ゲートグローバル配線152CはT字形状を有している。第1主面101aにおいて、ゲートパッド151は、活性領域100A、100Bの切り欠き部分に配置されている。ゲートグローバル配線152A、152Bはそれぞれゲートパッドに接続されており、活性領域、100A、100Bの2つの辺に隣接して配置されている。ゲートグローバル配線152Cは、T字形状の中央のストライプが活性領域100A、100Bに挟まれるように配置されている。

0024

ソース上部電極160は、ソースパッドと外周ソース配線とを含む。本実施形態では、ソースパッド161A、161Bおよび外周ソース配線162A〜162Dを含む。ソースパッド161A、161Bはそれぞれ活性領域100A、100B上に配置され、外周ソース配線162A〜162Dはゲート上部電極150の外側においてゲート上部電極150を囲むように配置されている。

0025

後述するようにドレインパッド170が炭化珪素半導体基板101の第2主面101bに設けられている。ゲートパッド151に閾値を超えるゲート電圧を印加することによって、炭化珪素半導体装置201をオン状態にし、ソースパッド161A、161Bと、ドレインパッド170との間に電流を流すことができる。

0026

図2Aは、図1Aに示す領域2Aにおける、炭化珪素半導体装置201の拡大平面図であり、ソース上部電極160を取り除いた構造を示す。図2Bおよび図2Cは、図1Aにおける2B−2B’線断面および2C−2C’線断面をそれぞれ示す。図1Bは、炭化珪素半導体基板101のドリフト層の表面である第1主面101aの平面図を示す。前述したように活性領域100A、100B内に離散的に複数の第1ボディ領域103が位置している。各第1ボディ領域103内にソース領域104が設けられている。

0027

炭化珪素半導体装置201は、活性領域100A、100Bにおいて、複数のユニットセル100uを含む。まず各ユニットセル100uの構成を説明する。

0028

複数のユニットセル100uのそれぞれは、MOSFETとして機能し、互いに並列に接続されている。つまり、ユニットセル100uにおいて、トランジスタが構成されており、炭化珪素半導体装置201は複数のトランジスタを含む。炭化珪素半導体基板101の第1主面101aに垂直な方向からみて、複数のユニットセル100uは、活性領域100A、100Bに2次元に配列されている。

0029

炭化珪素半導体基板101は、第1導電型の単結晶炭化珪素半導体からなり、互いに反対側に位置する第1主面101aおよび第2主面101bを有する。炭化珪素半導体基板101は、第1主面101a側に第1導電型のドリフト層102を含んでいる。炭化珪素半導体基板101は、例えば、炭化珪素ウエハにドリフト層102がエピタキシャル成長によって形成されている。本実施形態では、第1導電型はn型であり、第2導電型はp型である。しかし、第1導電型がp型であり、第2導電型はn型であってもよい。

0030

各ユニットセル100uは、ドリフト層102を含む炭化珪素半導体基板101と、ドリフト層102の表面に選択的に形成された第2導電型の第1ボディ領域103と、第1ボディ領域103内の表面に選択的に形成されたソース領域104と、第1ボディ領域およびソース領域104上に位置するゲート絶縁膜107と、ゲート絶縁膜107上に位置するゲート電極108と、ドレイン電極110とを備えている。ドリフト層102とゲート絶縁膜107との間に、チャネル層として炭化珪素半導体層106が設けられていてもよい。

0031

ドリフト層102において、ソース領域104は、高濃度で第1導電型の不純物を含む(n+型)。第1ボディ領域103への電気的接続のため、第1ボディ領域103よりも高い濃度で第2導電型の不純物を含む第2導電型の第1コンタクト領域105が設けられている。また、ドリフト層102の表面には、ソース領域104および第1コンタクト領域105とオーミック接合によって電気的に接続されたソース電極109が設けられている。従って、第1ボディ領域103は、第1コンタクト領域105を介してソース電極109と電気的に接続される。

0032

第1ボディ領域103、ソース領域104および第1コンタクト領域105は、例えば、ドリフト層102に対して不純物を注入する工程と、ドリフト層102に注入された不純物を活性化させる高温熱処理活性化アニール)工程とによって形成される。ソース電極109は、例えば、ドリフト層102におけるソース領域104および第1コンタクト領域105の上に例えば導電材料(Ni)層を形成した後、高温熱処理することによって形成される。

0033

ソース領域104とドリフト層102とは、チャネル層である炭化珪素半導体層106を介して接続されている。炭化珪素半導体層106は、例えば、エピタキシャル成長によってドリフト層102の上に形成された4H−SiC層であり、第1導電型の不純物を含む。炭化珪素半導体層106の厚さは例えば75nm以下であり、かつ、不純物濃度は1×1018cm−3以上であってもよい。

0034

ソース領域104および第1コンタクト領域105は、それぞれ、ソース電極109とオーミック接触を形成している。炭化珪素半導体装置201が炭化珪素半導体層106を備えていない場合には、ゲート電圧を印加することにより、第1ボディ領域103の表面近傍チャネルとなる反転層を形成させてトランジスタを動作させることができる。

0035

ゲート絶縁膜107は、例えば、炭化珪素半導体層106の表面を熱酸化することによって形成された熱酸化膜(SiO2膜)である。ゲート電極108は、例えば導電性ポリシリコンを用いて形成されている。隣接するユニットセル100uのゲート電極108は互いに接続されている。

0036

層間絶縁膜111は、活性領域100Aにおいて、ゲート電極108およびゲート電極から露出したゲート絶縁膜107上に位置している。ゲート絶縁膜107および層間絶縁膜111には、各ソース領域104の一部を露出する複数のソースコンタクト112Sが設けられている。より具体的には、ソースコンタクト112Sは、各ソース領域104および第1コンタクト領域105の上に位置するソース電極109を露出している。本開示において、ソースコンタクト112Sとは、ゲート絶縁膜107および層間絶縁膜111に設けられたコンタクトホールまたは開口を意味する。以下、ゲートコンタクトは層間絶縁膜111に、第1ウエルコンタクトおよび第2ウエルコンタクトはゲート絶縁膜107と層間絶縁膜111とに設けられたコンタクトホールまたは開口を意味する。

0037

活性領域100A、100Bにおいて、層間絶縁膜111上には、前述したソースパッド161A、161Bが位置している。ソースパッド161A、161Bは、層間絶縁膜111に設けられた複数のソースコンタクト112Sを介して複数のソース領域104および第1コンタクト領域105と電気的に接続している。より具体的には、ソース領域104とオーミック接触しているソース電極109とソースパッド161A、161Bとがソースコンタクト112を介して電気的に接続している。

0038

炭化珪素半導体基板101の第2主面101bには、第2主面101bとオーミック接触しているドレイン電極110が位置しており、ドレイン電極110を覆うドレインパッド170が設けられている。

0039

次に炭化珪素半導体装置201のゲート上部電極150が位置する部分の構造を説明する。炭化珪素半導体装置201は、第1主面101aにおいて活性領域100A、100B、つまり、複数の第1ボディ領域103を囲むように隣接して位置する第2ボディ領域115を備える。第2ボディ領域115は、帯形状部分を含む複数の第1部分115B、115C、115Dと、第1部分115B、115C、115Dと接続された第2部分115Aを含む。前述したように各ユニットセル100uでは、ソースパッド161A、161Bが層間絶縁膜111を介してゲート電極108を覆っているため、ユニットセル100uが位置する活性領域100A、100Bにおいて、ゲート上部電極150を設けることができない。このため、活性領域100A、100Bに隣接する第2ボディ領域115に平面視して重なるようにゲート上部電極150が設けられる。

0040

図2Bに示すように、第2ボディ領域115の第2部分115A上にはゲート絶縁膜107が位置し、さらにゲート絶縁膜107上に層間絶縁膜111が位置している。炭化珪素半導体装置201が炭化珪素半導体層106を備えている場合には、第2ボディ領域115の第2部分115Aとゲート絶縁膜107との間に炭化珪素半導体層106が位置している。ゲート電極108は、第2ボディ領域115の第2部分115A上には位置していない。

0041

層間絶縁膜111上には、ゲートパッド151が位置している。図2Aに示すように、第1主面101aに垂直な方向から平面視したとき、ゲート電極108は、ゲートパッド151と重なっていない。層間絶縁膜111およびゲート絶縁膜107には第1ボディコンタクト112Bが設けられている。図2Aに示すように、平面視したとき、第1ボディコンタクト112Bは、ゲートパッド151とゲート電極108との間に位置している。第1ボディコンタクト112Bは、ゲートパッド151の外縁の一部に沿って伸びる帯形状を有している。好ましくは、第1ボディコンタクト112Bは、ゲートグローバル配線152A、152B、152Cに沿って伸びる部分112BEを含んでいる。

0042

活性領域100A、100Bにおいて層間絶縁膜111上に設けられていたソースパッド161A、161Bは、第2ボディ領域115の第2部分115Aの周縁上にまで伸びており、第1ボディコンタクト112Bを介して第2ボディ領域115の第2部分115Aと電気的に接続されている。より具体的には炭化珪素半導体装置201は、第2ボディ領域115の第2部分115A内に形成された第2導電型の第2コンタクト領域116Aと、第1ベース電極119Aとを備え、第1ベース電極119Aは、第2コンタクト領域116Aとオーミック接続されている。第2コンタクト領域116Aは少なくとも第1ボディコンタクト112Bの下に位置していれば良いが、より好ましくは第2ボディ領域115の第2部分115Aのうち、第1ベース電極119Aに3辺を囲まれた領域全体にも位置している。これにより第2ボディ領域115の第2部分115Aの抵抗を低減することができる。第1ボディコンタクト112Bは、第1ベース電極119Aを露出しており、ソースパッド161A、161Bが第1ボディコンタクト112Bを介して第1ベース電極119Aと接触することにより、ソースパッド161A、161Bが第2ボディ領域115と電気的に接続されている。

0043

図2Cに示すように、第2ボディ領域115の第1部分115C上にはゲート絶縁膜107が位置し、ゲート絶縁膜上にゲート電極108が位置している。さらにゲート電極108上に層間絶縁膜111が位置している。炭化珪素半導体装置201が炭化珪素半導体層106を備えている場合には、第2ボディ領域115の第1部分115Cとゲート絶縁膜107との間に炭化珪素半導体層106が位置している。

0044

層間絶縁膜111上には、ゲートグローバル配線152Cが位置している。層間絶縁膜111にはゲートコンタクト112Gが設けられている。図2Aに示すように、ゲートコンタクト112Gはゲートグローバル配線152Cに沿って伸びている。本実施形態では、ゲートグローバル配線152Cは、ゲートコンタクト112Gを介してゲート電極108と電気的に接続されている。

0045

また、活性領域100A、100Bにおいて層間絶縁膜111上に設けられていたソースパッド161A、161Bは、第2ボディ領域115の第1部分115Cの周縁上にまで伸びており、第2ボディコンタクト112BBを介して第2ボディ領域115の第1部分115Cと電気的に接続されている。より具体的には炭化珪素半導体装置201は、第2ボディ領域115の第1部分115C内に形成された、第2導電型の第3コンタクト領域116Bと、第2ベース電極119Bとを備え、第2ベース電極119Bは、第3コンタクト領域116Bとオーミック接続されている。第3コンタクト領域116Bは少なくとも第2ボディコンタクト112BBの下に位置していれば良いが、より好ましくは第2ボディ領域115の第1部分115Cのうち、離散した第2ベース電極119Bに挟まれた領域全体にも位置している。これにより第2ボディ領域115の第1部分115Cの抵抗を低減することができる。第2ボディコンタクト112BBは、第2ベース電極119Bを露出しており、ソースパッド161A、161Bが第2ボディコンタクト112BBを介して第2ベース電極119Bと接触することにより、ソースパッド161A、161Bが第2ボディ領域115の第1部分115Cと電気的に接続されている。

0046

第1主面101aに垂直な方向から平面視したとき、第2ボディコンタクト112BBは、複数のソースコンタクト112Sとゲートコンタクト112Gとの間であって、前記第2ボディ領域115の第1部分115Cに位置している。

0047

炭化珪素半導体装置201は、第2ボディ領域115の第1部分115B、115D上においても、第1部分115Cと同様の構造を備えている。

0048

炭化珪素半導体装置201は、各構成要素の説明に合わせて説明した半導体装置の製造における要素技術を用いて、一般的な半導体装置の製造と同様の手順に従い製造することができる。ユニットセル100u以外の構造は、例えば、ユニットセル100uに含まれる構成要素を作製する工程と同じ工程によって作製することができる。具体的には第2ボディ領域115は第1ボディ領域103と同じ工程で作製することができる。また、第2コンタクト領域116Aおよび第3コンタクト領域116Bは、第1コンタクト領域105と同じ工程で作製することができる。第1ベース電極119Aおよび第2ベース電極119Bは、ソース電極109と同時に作製することができる。

0049

次に炭化珪素半導体装置201の動作を説明する。炭化珪素半導体装置201を高速スイッチングすると、PN接合容量に起因する変位電流が生じる。PN接合は、ドリフト層102と第1ボディ領域103および第2ボディ領域115との界面において形成されるので、変位電流は第1ボディ領域103および第2ボディ領域115を流れることになる。変位電流が流れる領域の不純物濃度と深さ、および変位電流の大きさに応じて、第1ボディ領域103および第2ボディ領域115には電位が発生する。より具体的には、各ボディ領域内で発生する電位はV=C×(dV/dt)×Rによって決まる。

0050

変位電流が第1ボディ領域103を流れる場合、Cはドリフト層102と第1ボディ領域103によって形成されるPN接合の容量、Rは第1ボディ領域103の抵抗とソース電極109のうち第1コンタクト領域105に接する部分のコンタクト抵抗の和によって規定される。一方、変位電流が第2ボディ領域115を流れる場合、Cはドリフト層102と第2ボディ領域115によって形成されるPN接合の容量、Rは第2ボディ領域115の抵抗と第1ベース電極119Aのコンタクト抵抗の和によって規定される。(dV/dt)はスイッチング速度、すなわちドレインソース間電圧の単位時間あたりの変化量である。 第1ボディ領域103はユニットセル100uごとに独立しており、個々の第1ボディ領域103は小さく、PN接合容量Cも小さくなるため、変位電流により発生する電位は相対的に小さい。また、第1ボディ領域103は第1コンタクト領域105を介してソースパッド161Aに電気的に接続されている。このため、発生した変位電流はソースパッド161Aへ逃がすことができる。このように高速スイッチングによる変位電流の影響は第1ボディ領域103では小さい。

0051

一方、第2ボディ領域115のうち、第2部分115Aはゲートパッド151が形成される領域であるため、面積が大きく、PN接合容量Cが大きくなるため、発生する変位電流も大きい。このため、第2ボディ領域115に生じる電位は相対的に大きい。

0052

しかし、炭化珪素半導体装置201によれば、第2ボディ領域115のうち、第2部分115Aにはゲートパッド151と平面視して重なるように、ゲート電極108及びゲート電極108直下に必ず形成されるゲート絶縁膜107は設けられていない。このため、第2ボディ領域115の第2部分115Aで相対的に大きい電位が発生した場合においても、ゲート絶縁膜107が、第2ボディ領域115の第2部分115Aとゲート電極108の間に生じる相対的に大きな電位差にさらされることがなくなり、ゲート絶縁膜107の絶縁破壊を根本的に抑制することが可能となる。これにより、ゲートパッド近傍におけるゲート絶縁膜の破壊によるデバイス故障を抑制し、高速スイッチング動作時の安全性を確保できる。

0053

また、第1主面101aに垂直な方向から平面視したとき、ゲートパッド151の外縁の一部に沿って、ゲート電極108とゲートパッド151の間に第1ボディコンタクト112Bが、層間絶縁膜111およびゲート絶縁膜107に設けられている。このため、第2ボディ領域115のうち、第2部分115Aにおいて発生した変位電流を、第1ボディコンタクト112Bを介してソースパッド161A、161Bへ逃がすことができる。このように第1ボディコンタクト112Bを連続した線状で形成することにより、変位電流が流れる経路の第1ベース電極119Aのコンタクト抵抗を低減することができるため、ゲートパッド151と第2ボディ領域115の第2部分115Aに挟まれた層間絶縁膜111に印加される電位差を小さくすることができ、高速スイッチング動作時の安全性をより高めることができる。

0054

この第1ボディコンタクト112Bが、ゲートグローバル配線152に沿って伸びていることによって、ゲートパッド151とゲートグローバル配線152との接続部近傍の第1ベース電極119Aのコンタクト抵抗をさらに低減することができるため、ゲートパッド151と第2ボディ領域115の第2部分115Aに挟まれた層間絶縁膜111に印加される電位差をさらに小さくすることができる。また、第1ボディコンタクト112Bの延伸に伴い、ゲート電極108及びゲート電極108直下ゲート絶縁膜107を変位電流が流れる経路から遠ざける効果もあるため、ゲートパッド151近傍のゲートグローバル配線152下方に位置するゲート絶縁膜107が破壊されるのを抑制することができる。

0055

さらに第1主面101aに垂直な方向から平面視したとき、ソースコンタクト112Sとゲートコンタクト112Gとの間であって、第2ボディ領域115の第1部分115B、115C、115Dにおいて第2ボディコンタクト112BBが設けられていることによって、ゲートグローバル配線152の下方において発生する変位電流を、第2ボディコンタクト112BBを介してソースパッド161A、161Bへ逃がすことができる。ゲートグローバル配線152に沿って、第2ボディコンタクト112BBが設けられていることにより、第2ボディ領域115の第1部分115B、115C,115Dに電位が生じる電位上昇を最小限に留めることができ、ゲート配線152下方におけるゲート絶縁膜107の絶縁破壊を抑制することができる。

0056

このように、本開示の炭化珪素半導体装置は、ゲートパッドの下方で生じる変位電流により生じ得るゲート絶縁膜の破壊を抑制するために、ゲートパッドとゲート電極とを平面視したとき重ねて配置しないという新規デバイス設計思想に基づいている。これにより、炭化珪素半導体装置を高速でスイッチングする場合に生じる変位電流によるゲート絶縁膜の破壊が生じやすい部分を炭化珪素半導体装置から根本的に排除し、炭化珪素半導体装置の高速スイッチング動作時の安全性を高めることが可能となる。

0057

従来の設計思想によれば、ゲートパッドとゲート電極とは重ねて配置される。図3A図3Bおよび図3Cは、従来の設計思想に基づく構造を備えた炭化珪素半導体装置の、図2A図2Bおよび図2Cに対応する平面および断面を示す。図3A図3Bおよび図3Cに示すように、ゲートパッド151の外周近傍と重なるようにゲート電極108が配置され、第2ボディ領域115の第1部分115B、115C、115Dと第2部分115Aの外縁部分とに一体的なゲートコンタクト112Gが形成される。このため、この構造によれば、第2ボディ領域115の第1部分115B、115C、115Dおよび第2部分115Aのいずれにおいても、第2ボディ領域115の電位が上昇した場合、ゲート電極108直下のゲート絶縁膜107が、第2ボディ領域115とゲート電極108の間に生じる相対的に大きな電位差にさらされ、ゲート絶縁膜107が破壊する可能性が生じる。つまり、特許文献1、2に開示されているように、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制する構造を設けたとしても、ゲートパッドとゲート電極とが重なっている限り、構造上、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が生じる可能性があり得る。特に面積が大きく、発生する変位電流の大きいゲートパッド151近傍については、本開示の設計思想は有効である。この点で、本開示の炭化珪素半導体装置は従来とは異なる発想でゲート絶縁膜の絶縁破壊を抑制しているといえる。

0058

本開示の炭化珪素半導体装置は、前述の実施形態に限られず、種々の改変がなされてもよい。例えば、活性領域は2つに限らず、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。また、ゲートグローバル配線の数、位置、形状も上記実施形態に限られない。さらに、ユニットセルも第1主面において、格子状に配置されていてもよいし、千鳥格子状に配置されていてもよい。また、炭化珪素半導体装置は、活性領域を囲む一般的な終端構造をさらに備えていてもよい。

0059

本実施形態における炭化珪素半導体装置は、上述したプレーナ構造縦型MISFETに限定されず、トレンチ構造の縦型MISFETであってもよい。あるいは、炭化珪素半導体層と異なる導電型の炭化珪素基板を用いた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)であってもよい。

0060

本開示の炭化珪素半導体装置は、種々の用途の半導体装置およびそれを備えたインバータ回路等の種々の駆動装置に広く適用できる。例えば、車載用、産業機器用等の半導体装置に好適に用いることができる。

0061

100A、100B活性領域
100uユニットセル
101炭化珪素半導体基板
101a 第1主面
101b 第2主面
102ドリフト層
103 第1ボディ領域
104ソース領域
105 第1コンタクト領域
106炭化珪素半導体層
107ゲート絶縁膜
108ゲート電極
109ソース電極
110ドレイン電極
111層間絶縁膜
112B 第1ボディコンタクト
112BB 第2ボディコンタクト
112BE 第2ボディコンタクトの延伸部分
112Gゲートコンタクト
112Sソースコンタクト
115 第2ボディ領域
115A 第2部分
115B〜115D 第1部分
116A 第2コンタクト領域
116B 第3コンタクト領域
119A 第1ベース電極
119B 第2ベース電極
150ゲート上部電極
151ゲートパッド
152、152A〜152Cゲートグローバル配線
153B ゲートグローバル配線
160 ソース上部電極
161A、161Bソースパッド
162A〜162D 外周ソース配線
170ドレインパッド
201 炭化珪素半導体装置

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