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JP7170781B2 - 炭化珪素半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

炭化珪素半導体装置および電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、炭化珪素で構成される炭化珪素半導体装置および電力変換装置に関するものである。
炭化珪素（ＳｉＣ）を用いて構成されるＰＮダイオードに関して、順方向電流すなわちバイポーラ電流を流し続けると、結晶中に積層欠陥が発生して順方向電圧がシフトするという信頼性上の問題が知られている。これは、ＰＮダイオードを通して注入された少数キャリアが多数キャリアと再結合する際の再結合エネルギーにより、炭化珪素基板に存在する基底面転位などを起点として、面欠陥である積層欠陥が拡張するためだと考えられている。この積層欠陥は、電流の流れを阻害するため、積層欠陥の拡張により電流が減少し順方向電圧を増加させ、半導体装置の信頼性の低下を引き起こす。
このような順方向電圧の増加は、炭化珪素を用いた縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様に発生する。縦型ＭＯＳＦＥＴは、ソース・ドレイン間に寄生ＰＮダイオード（ボディダイオード）を備えており、順方向電流がこのボディダイオードに流れると、縦型ＭＯＳＦＥＴにおいてもＰＮダイオードと同様の信頼性低下を引き起こす。ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードをＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードとして用いる場合には、このＭＯＳＦＥＴ特性の低下が発生する場合がある。
上記のような寄生ＰＮダイオードへの順方向電流通電による信頼性上の問題を解決する方法として、一つには、特許文献１に示されるように、寄生ＰＮダイオードに長時間、順方向電流を流すストレス印加を行ない、ストレス印加前後での順方向電圧の変化を測定して、順方向電圧の変化の大きい素子を製品から排除（スクリーニング）する方法がある。しかしながら、この方法では、通電時間が長くなり、欠陥の多いウエハを使用すると不良品が多く発生するというデメリットがある。
また、別の方法として、ＭＯＳＦＥＴ等のユニポーラ型のトランジスタである半導体装置に、ユニポーラ型のダイオードを還流ダイオードとして内蔵させて使用する方法がある。例えば特許文献２、特許文献３には、ユニポーラ型のダイオードとしてショットキバリアダイオード（ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）をＭＯＳＦＥＴのユニットセル内に内蔵させる方法が記載されている。
このような活性領域にユニポーラ型ダイオード、すなわち多数キャリアのみで通電するダイオードを内蔵したユニポーラ型トランジスタでは、ＳｉＣ半導体装置に適用した場合、ユニポーラ型ダイオードの拡散電位すなわち通電動作が始まる電圧をＰＮ接合の拡散電位よりも低く設計することで、還流動作時にボディダイオードにバイポーラ電流が流れないようにして、活性領域のユニポーラ型トランジスタの特性劣化を抑制することができる。
しかしながら、活性領域にユニポーラ型ダイオードが内蔵されたユニポーラ型トランジスタにおいても、終端領域すなわち活性領域以外の領域では、構造上ユニポーラ型ダイオードを配置し難い箇所に寄生ＰＮダイオードが形成されている箇所ができてしまう場合がある。
例えば、ゲートパッド近傍や半導体装置終端部近傍の領域では、ソース電極よりも外周側に張り出した終端ウェル領域が形成されており、終端ウェル領域とドリフト層との間で寄生ＰＮダイオードを形成している。そして、この箇所では、ショットキ電極が形成されておらず、ユニポーラ型ダイオードが形成されていない。終端ウェル領域ではショットキ電極が無いため、終端ウェル領域とドリフト層とによって形成されるＰＮダイオードにソース電極とドレイン電極との間の電圧が印加され、結果としてＰＮダイオードにバイポーラ電流が流れる。
このような箇所に基底面転位などの起点が存在すると、積層欠陥が拡張し、トランジスタの耐圧が低下してしまうことがある。具体的にはトランジスタがオフ状態のときに漏れ電流が発生し、漏れ電流による発熱によって素子や回路が破壊してしまうことがある。
この問題を回避するためには、終端ウェル領域とドリフト層によって形成されるＰＮダイオードにバイポーラ電流が流れないように、ソース・ドレイン間の印加電圧を一定値以下に制限すればよい。そのためには、チップサイズを拡大させ、還流電流が流れた際に発生するソース・ドレイン間電圧を低減すればよい。その場合、チップサイズが大きくなり、コストが増大するデメリットが伴う。
また、チップサイズを拡大することなく、終端ウェル領域とドリフト層によって形成されるＰＮダイオードの順方向動作を抑制する方法として、終端ウェル領域の各箇所と、ソース電極の間に形成される通電経路の抵抗を高める方法がある。通電経路の抵抗を高める方法には、終端ウェル領域とソース電極のコンタクト抵抗を高める方法（例えば特許文献４）などがある。このような構成にすると、終端ウェル領域とドリフト層とによって形成されるＰＮダイオードにバイポーラ電流が流れた際に、上記抵抗成分によって電圧降下が生じるため、終端ウェル領域の電位がソース電位と乖離し、その分、ＰＮダイオードにかかる順方向電圧が低減する。したがって、バイポーラ電流の通電を抑制することができる。
さらに、終端ウェル領域内にショットキアバリアダイオード（ＳＢＤ）を作成する方法が知られている（例えば、特許文献５）。
特開２０１４－１７５４１２号公報 特開２００３－０１７７０１号公報 国際公開第２０１４－０３８１１０号 国際公開第２０１４－１６２９６９号 国際公開第２０１６－０５２２６１号
しかしながら、終端ウェル領域にソース電極にオーミック接続する電極を設けると、終端ウェル領域とソース電極との間のコンタクト抵抗を高めたとしても、終端ウェル領域とソース電極の間に形成される通電経路の抵抗を十分に高めることができず、終端ウェル領域へのバイポーラ電流の通電を十分に低減できない場合があった。
さらに、終端ウェル領域内にＳＢＤを形成しても終端ウェル領域や活性領域端部のウェル領域へのバイポーラ電流の通電を十分に低減できない場合があった。
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、より信頼性を高めた炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、第１導電型の炭化珪素の半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、ドリフト層の表層に複数設けられた第２導電型の第１ウェル領域と、第１ウェル領域の表面からドリフト層に至るまで第１ウェル領域に隣接して形成された複数の第１導電型の第１離間領域と、第１離間領域上に設けられ、第１離間領域とショットキ接合する第１ショットキ電極と、第１ウェル領域上に設けられたオーミック電極と、第１ウェル領域と別に前記ドリフト層の表層に設けられた第２導電型の第２ウェル領域と、第２ウェル領域の表面からドリフト層に至るまで第２ウェル領域に隣接して形成され、複数の第１離間領域より間隔が短く形成された、複数の第１導電型の第４離間領域と、第４離間領域上に設けられ、第４離間領域とショットキ接合する第２ショットキ電極と、第１ウェル領域の表層部に形成された第１導電型のソース領域と、第１ウェル領域上および第２ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、第１ウェル領域上および第２ウェル領域上のゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極と接続され、第２ウェル領域の上方に形成されたゲートパッドと、第１ショットキ電極、第２ショットキ電極、および、オーミック電極に電気的に接続され、第２ウェル領域との接続の全てが非オーミック接続であるソース電極とを備えたものである。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置によれば、活性領域端部のウェル領域にバイポーラ電流が流れることをより抑制し、信頼性を高めることができる。
この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置を上面から見た平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の断面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の別の構成の平面模式図である。 この発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置の断面模式図である。 この発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置の平面模式図である。 この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の断面模式図である。 この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の平面模式図である。 この発明の実施の形態４に係る炭化珪素半導体装置の平面模式図である。 この発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を示す模式図である。
以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は模式的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズ及び位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称及び機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
本明細書に記載の実施の形態においては、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体装置の一例として、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたｎチャネル炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを例に挙げて説明する。電位の高低についての記述は、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とした場合に対する記述であり、第１導電体をｐ型、第２導電型をｎ型とした場合には、電位の高低の記述も逆になる。
さらに、本願では、炭化珪素半導体装置全体のうち、ユニットセルが周期的に並ぶ領域を活性領域と、また、活性領域以外の領域を終端領域と呼んで説明する。
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の構成を説明する。
図１は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置であるショットキダイオード（ＳＢＤ）内蔵炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ（ＳＢＤ内蔵ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）を上面から見た平面模式図である。図１において、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの上面の一部にはゲートパッド８１が形成されており、これに隣接してソース電極８０が形成されている。また、ゲートパッド８１から延びるように、ゲート配線８２が形成されている。
図２は、図１のソース電極８０から炭化珪素半導体装置の外周部のゲート配線８２にかけてのａ－ａ’部分の断面を模式的に示す断面模式図である。また、図３は、図１の上面図の主に炭化珪素半導体部分を記載した平面模式図である。
図２において、ｎ型で低抵抗の炭化珪素で構成される半導体基板１０の表面上に、ｎ型の炭化珪素で構成されるドリフト層２０が形成されている。図１で説明したゲート配線８２が設けられている領域にほぼ対応する位置のドリフト層２０の表層部には、図３に示すように、ｐ型の炭化珪素で構成される第２ウェル領域３１が設けられている。
図１で説明したソース電極８０が設けられている領域の下部には、ドリフト層２０の表層部に、ｐ型の炭化珪素で構成される第１ウェル領域３０が複数設けられている。第１ウェル領域３０のそれぞれの表層部には、第１ウェル領域３０の外周から所定の間隔だけ内部に入った位置に、ｎ型の炭化珪素で構成されるソース領域４０が形成されている。
各第１ウェル領域３０の表層部のソース領域４０のさらに内側の第１ウェル領域３０の表層部には、低抵抗ｐ型の炭化珪素で構成されるコンタクト領域３２が形成されており、そのさらに内部には、第１ウェル領域３０を貫通する、炭化珪素で構成される第１離間領域２１が形成されている。第１離間領域２１は、第１ウェル領域３０の近傍にあればよく、第１ウェル領域３０を貫通しないで第１ウェル領域３０に隣接していてもよい。また、第１離間領域２１は、ドリフト層２０と同じｎ型で、ドリフト層２０と同じ不純物濃度を有する。
この第１離間領域２１の表面側には、第１離間領域２１とショットキ接続する第１ショットキ電極７１が形成されている。ここで、第１ショットキ電極７１は、上面から見て、少なくとも対応する第１離間領域２１を含むように形成されていることが望ましい。
また、ソース領域４０の表面上には、オーミック電極７０が形成されており、オーミック電極７０、第１ショットキ電極７１およびコンタクト領域３２に接続されるソース電極８０がこれらの上に形成されている。第１ウェル領域３０は、低抵抗のコンタクト領域３２を介してオーミック電極７０と電子と正孔の授受を容易に行なうことができる。
隣接する第１ウェル領域３０間のドリフト層２０の領域は、第２離間領域２２となっており、ドリフト層２０と同じｎ型で、ドリフト層２０と同じ不純物濃度を有する。隣接する第１ウェル領域３０、その間の第２離間領域２２、およびそれぞれの第１ウェル領域３０内のソース領域４０の表面上には、ゲート絶縁膜５０が形成されており、そのゲート絶縁膜５０上の少なくとも第１ウェル領域３０の上部には、ゲート電極６０が形成されている。ゲート電極６０が形成されている箇所の下部で、ゲート絶縁膜５０を介して対向する第１ウェル領域３０の表層部を、チャネル領域と呼ぶ。
炭化珪素半導体装置の第１ウェル領域３０が形成されている、図１のソース電極８０が形成されている領域が、活性領域であり、その活性領域の外側、すなわち、最外周の第１ウェル領域３０の外側には第２ウェル領域３１が形成されている。第１ウェル領域３０と第２ウェル領域３１の間には、第３離間領域２３が形成されている。第３離間領域２３は、ドリフト層２０と同じｎ型で、ドリフト層２０と同様の不純物濃度を有する。
第２ウェル領域３１が形成されている領域より外側が、終端領域となる。
第２ウェル領域３１の内部には、第２ウェル領域３１を貫通する、炭化珪素で構成される第４離間領域２４が複数形成されている。第４離間領域２４は、第２ウェル領域３１の近傍にあればよく、第２ウェル領域３１を貫通しないで第２ウェル領域３１に隣接していてもよい。ここで、複数形成された第４離間領域２４のそれぞれの表面側には、第４離間領域２４とショットキ接続する第２ショットキ電極７３が形成されている。ここで、第２ショットキ電極７３は、上面から見て、少なくとも対応する第４離間領域２４を含むように形成されていることが望ましい。
第２ウェル領域３１上にも、ゲート絶縁膜５０およびフィールド絶縁膜５１が形成されており、そのゲート絶縁膜５０およびフィールド絶縁膜５１の上部には、ゲート電極６０が形成されている。また、ゲート電極６０とソース電極８０との間には、層間絶縁膜５５が形成されている。さらに、第２ウェル領域３１の上方のゲート電極６０とゲート配線８２とは、層間絶縁膜５５に形成されたゲートコンタクトホール９５を介して接続されている。また、第２ウェル領域３１の外周側、すなわち、第１ウェル領域３０と反対側には、ｐ型で炭化珪素のＪＴＥ領域３７が形成されている。ＪＴＥ領域３７の不純物濃度は、第２ウェル領域３１の不純物濃度より低いものとする。
第２ウェル領域３１の表面上のゲート絶縁膜５０の一部には開口（第２コンタクトホール９１）が形成されており、その開口内には、第２ショットキ電極７３、および、オーミック電極７０などと接続されているソース電極８０が形成されている。ここで、第２ウェル領域３１は直接ソース電極８０とオーミック接続されておらず、絶縁されている、あるいは、ショットキ接続されている。
活性領域においては、層間絶縁膜５５およびゲート絶縁膜５０を貫通して形成された第１コンタクトホール９０を介して、オーミック電極７０、第１ショットキ電極７１およびコンタクト領域３２上のソース電極８０が層間絶縁膜５５上のソース電極８０と接続されている。
半導体基板１０の裏面側には、ドレイン電極８４が形成されている。
ここで、第２ショットキ電極７３は第４離間領域２４よりも大きく、第４離間領域２４の全ての平面領域を覆う必要がある。その理由は、第４離間領域２４のうち、少しでもショットキ特性を有する電極に覆われていない領域ができると、オフ状態においてその部分でリーク電流が発生し、所望の耐圧を実現できないためである。第４離間領域２４と第２ショットキ電極７３の大きさを完全に一致させることは、マスク合わせずれなど製造上起こりうるばらつきがありできないため、第２ショットキ電極７３を第４離間領域２４よりも大きく設計することで、確実に第４離間領域２４を第２ショットキ電極７３で覆う必要がある。
したがって、第２ショットキ電極７３は第４離間領域２４の周りの第２ウェル領域３１と接触する必要があるが、仮に第２ショットキ電極７３と第２ウェル領域３１の接触特性がオーミック特性を有すると、本発明の効果である第２ウェル領域３１のバイポーラ通電の抑制が実現できなくなってしまう。この問題を避けるために、本発明の第２ショットキ電極７３は第４離間領域２４のみならず、第２ウェル領域３１に対してもショットキ特性を有する。具体的には、第２ウェル領域３１の表面濃度を充分に下げ、半導体・ショットキ界面におけるトンネルリークを抑制する。これを実現するために、第２ウェル領域３１の表面濃度は１×１０１９ｃｍ－３以下、さらに望ましくは１×１０１８ｃｍ－３以下にすればよい。
また、第４離間領域２４の幅は、望ましくは第１離間領域２１の幅と同じか、大きくとも第１離間領域２１の幅の３倍以下とすることが望ましい。これは第４離間領域２４の幅が大きいと、オフ状態において第２ショットキ電極７３と第４離間領域２４の接触によって形成されるショットキ界面に大きな電界がかかり、リーク電流が増大してしまって、損失が増えたり所望の耐圧が得られなかったりするためである。
次に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳＢＤ内蔵ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの製造方法について説明する。
まず、第１主面の面方位がオフ角を有する（０００１）面であり、４Ｈのポリタイプを有する、ｎ型で低抵抗の炭化珪素からなる半導体基板１０の上に、化学気相堆積法（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ法）により、１×１０１５から１×１０１７ｃｍ－３の不純物濃度でｎ型、５から５０μｍの厚さの炭化珪素からなるドリフト層２０をエピタキシャル成長させる。
つづいて、ドリフト層２０の表面の所定の領域にフォトレジスト等により注入マスクを形成し、ｐ型の不純物であるＡｌ（アルミニウム）をイオン注入する。このとき、Ａｌのイオン注入の深さはドリフト層２０の厚さを超えない０．５から３μｍ程度とする。また、イオン注入されたＡｌの不純物濃度は、１×１０１７から１×１０１９ｃｍ－３の範囲でありドリフト層２０の不純物濃度より高くする。その後、注入マスクを除去する。本工程によりＡｌイオン注入された領域が第１ウェル領域３０および第２ウェル領域３１となる。
次に、ドリフト層２０の表面にフォトレジスト等により注入マスクを形成し、ｐ型の不純物濃度であるＡｌをイオン注入する。このとき、Ａｌのイオン注入の深さはドリフト層２０の厚さを超えない０．５から３μｍ程度とする。また、イオン注入されたＡｌの不純物濃度は、１×１０１６から１×１０１８ｃｍ－３の範囲でありドリフト層２０の不純物濃度より高く、かつ、第１ウェル領域３０の不純物濃度よりも低いものとする。その後、注入マスクを除去する。本工程によりＡｌがイオン注入された領域がＪＴＥ領域３７となる。同様に、所定の領域に第１ウェル領域３０の不純物濃度より高い不純物濃度でＡｌをイオン注入することにより、コンタクト領域３２を形成する。
つづいて、ドリフト層２０の表面の第１ウェル領域３０の内側の所定の箇所が開口するようにフォトレジスト等により注入マスクを形成し、ｎ型の不純物であるＮ（窒素）をイオン注入する。Ｎのイオン注入深さは第１ウェル領域３０の厚さより浅いものとする。また、イオン注入したＮの不純物濃度は、１×１０１８から１×１０２１ｃｍ－３の範囲であり、第１ウェル領域３０のｐ型の不純物濃度を超えるものとする。本工程でＮが注入された領域のうちｎ型を示す領域がソース領域４０となる。
次に、熱処理装置によって、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス雰囲気中で、１３００から１９００℃の温度で、３０秒から１時間のアニールを行う。このアニールにより、イオン注入されたＮ及びＡｌを電気的に活性化させる。
つづいて、ＣＶＤ法、フォトリソグラフィ技術等を用いて、第１ウェル領域３０が形成された領域にほぼ対応する活性領域以外の領域の半導体層の上に、膜厚が０．５から２μｍの酸化珪素からなるフィールド絶縁膜５１を形成する。
次に、フィールド絶縁膜５１に覆われていない炭化珪素表面を熱酸化して所望の厚みのゲート絶縁膜５０である酸化珪素膜を形成する。つづいて、ゲート絶縁膜５０およびフィールド絶縁膜５１の上に、導電性を有する多結晶シリコン膜を減圧ＣＶＤ法により形成し、これをパターニングすることによりゲート電極６０を形成する。次に、酸化珪素からなる層間絶縁膜５５を減圧ＣＶＤ法により形成する。つづいて、層間絶縁膜５５とゲート絶縁膜５０を貫き、活性領域内のコンタクト領域３２とソース領域４０とに到達する第１コンタクトホール９０を形成し、同時に、第２ウェル領域３１に到達する第２コンタクトホール９１を形成する。
次に、スパッタ法等によりＮｉを主成分とする金属膜を形成後、６００から１１００℃の温度の熱処理を行ない、Ｎｉを主成分とする金属膜と、第１コンタクトホール９０内の炭化珪素層とを反応させて、炭化珪素層と金属膜との間にシリサイドを形成する。つづいて、反応してできたシリサイド以外の残留した金属膜をウェットエッチングにより除去する。これにより、オーミック電極７０が形成される。
つづいて、半導体基板１０の裏面（第２主面）にＮｉを主成分とする金属膜を形成、熱処理することにより、半導体基板１０の裏側に裏面オーミック電極（図示せず）を形成する。
次に、フォトレジスト等によるパターニングを用いて、第１離間領域２１と第４離間領域との上の層間絶縁膜５５とゲート絶縁膜５０と、および、ゲートコンタクトホール９５となる位置の層間絶縁膜５５を除去する。除去する方法としては、ショットキ界面となる炭化珪素層の表面にダメージを与えないウェットエッチングとする。
つづいて、スパッタ法等により、ショットキ電極となる金属膜を堆積し、フォトレジスト等によるパターニングを用いて、第１コンタクトホール９０内の第１離間領域２１上に第１ショットキ電極７１を、第２コンタクトホール９１内の第４離間領域２４上に第２ショットキ電極７３をそれぞれ形成する。
次に、ここまで処理してきた基板の表面にスパッタ法又は蒸着法によりＡｌ等の配線金属を形成し、フォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工することで、ソース側のオーミック電極７０、第１ショットキ電極７１、第２ショットキ電極７３、および、第２ウェル領域３１に接触するソース電極８０、および、ゲート電極６０に接触するゲートパッド８１とゲート配線８２とを形成する。
さらに、基板の裏面に形成された裏面オーミック電極（図示せず）の表面上に金属膜であるドレイン電極８４を形成すれば、図１～３に示した本実施の形態の炭化珪素半導体装置が完成する。
次に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳＢＤ内蔵ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの動作について説明する。ここで、半導体材料が４Ｈ型の炭化珪素の炭化珪素半導体装置を例に説明する。この場合ｐｎ接合の拡散電位はおおよそ２Ｖである。
以下、主に還流動作の場合について説明する。
還流動作では、ソース電圧（ソース電極８０の電圧）に対しドレイン電圧（ドレイン電極８４の電圧）が低くなり、数Ｖの電圧が発生する。活性領域においては、第１ウェル領域３０より低電圧でオンする、第１離間領域２１と第１ショットキ電極７１間のＳＢＤが形成されているので、原則として還流電流がＳＢＤに流れ、第１ウェル領域３０には流れない。終端領域においては、第２ウェル領域３１にオーミック電極を経由してオーミック接続するソース電極８０がある場合、第２ウェル領域３１とドリフト層２０と間に形成されるｐｎ接合にソース－ドレイン間の電圧の多くが印加されるために、第２ウェル領域３１とドリフト層２０とで形成されるｐｎダイオードにバイポーラ電流が流れることになる。しかしながら、本発明の炭化珪素半導体装置においては、第２ウェル領域３１がソース電極８０とオーミック接続されておらず、絶縁されている、あるいは、ショットキ接続されている。また、第２ウェル領域３１を貫通して形成されている複数の第４離間領域２４とその上部の第２ショットキ電極７３との間にＳＢＤが形成されている。
しかしながら、この第２ウェル領域３１を貫通して形成された第４離間領域２４を通るＳＢＤ電流は、第２ウェル領域３１がソース電極８０とオーミック接続されていない本発明においては、特に流れ難くなる。この現象を説明するために、還流動作中における第２ウェル領域３１の電位変化を説明する。
還流動作時にはドレイン電極８４にソース電圧を０Ｖとして例えば－１０Ｖといった負電圧が発生し、ソース電極８０からドレイン電極８４に電流が流れる。ソース電極８０からドレイン電極８４に至るまでの経路では、抵抗比に応じた電位分布が発生するため、ドリフト層２０のうち第２ウェル領域３１に接する部分には、ソース電極８０とドレイン電極８４との間の電位（例えば－３Ｖ）が発生する。仮に第２ウェル領域３１がソース電極８０にオーミック接続されている場合、第２ウェル領域３１の電位は略０Ｖに維持されるため、ｐｎ接合には順方向電圧（本例では３Ｖ）が印加され、ｐｎ接合にバイポーラ電流が流れる。
これに対して、本発明では第２ウェル領域３１がソース電極８０にオーミック接続されていないため、第２ウェル領域３１がチャージアップし、第２ウェル領域３１は、ドリフト層２０のうち第２ウェル領域３１に接する部分の電位とソース電極８０の電位との間の電位（例えば－２Ｖ）に帯電する。
このとき、第４離間領域２４と第２ウェル領域３１とで形成されるｐｎ接合に着目すると、第２ウェル領域３１がソース電極８０にオーミック接続されている場合に比べ、第２ウェル領域３１がオーミック接続されていない場合の方が、第２ウェル領域３１のチャージアップ電位分だけ、ｐｎ接合に印加される逆バイアスが大きくなる。第４離間領域２４と第２ウェル領域３１とで形成されるｐｎ接合に印加される逆バイアスは、第４離間領域２４と第２ウェル領域３１のそれぞれに空乏層を形成するが、相対的に不純物濃度の低い第４離間領域２４に特に広く空乏層が広がる。ＳＢＤ電流は、この空乏層によって実効的に通電経路を細められた第４離間領域２４を通る必要があるため、第４離間領域２４部分に大きな抵抗が生じる。
従って、仮に第１離間領域２１と第４離間領域２４を同じ幅、同じ不純物濃度で設計したとしても、チャージアップする第２ウェル領域３１に挟まれた第４離間領域２４の方が、抵抗が大きく小さな電流しか通流できないことになる。
終端領域に形成されるＳＢＤの密度が活性領域に形成されるＳＢＤの密度と同じまたは小さい場合、活性領域端部のＳＢＤおよび終端領域のＳＢＤに流れるＳＢＤ電流は、活性領域の中央部にあるＳＢＤに流れるＳＢＤ電流よりも小さく、且つＳＢＤが形成されていないチップ外周方向に向かって拡散して流れるため、活性領域端部では、ドリフト層２０や半導体基板１０に流れるＳＢＤ電流密度が、活性領域内部の他の活性領域に比べて小さくなる。そのため、活性領域端部では、ドリフト層２０や半導体基板１０で生じる電圧降下も、他の活性領域に比べて小さくなる。
ここで、ソース・ドレイン間にかかる電圧がチップ内で同一であり、ソース・ドレイン間の電圧からドリフト層２０と半導体基板１０で生じる電圧降下を差し引いた電圧がｐｎ接合に印加されることから、活性領域端部では、他の活性領域に比べてｐｎ接合に印加される電圧が大きくなってしまう。活性領域端部では、終端領域の第２ウェル領域３１と異なり、第１ウェル領域３０がソース電極８０とオーミック接続されているため、ｐｎ接合に拡散電位を超える電圧が印加されるとバイポーラ電流が流れてしまう。このバイポーラ電流が流れる原因は、活性領域端部におけるドリフト層２０と半導体基板１０のＳＢＤ電流密度が低いためである。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳＢＤ内蔵ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴにおいては、終端領域の第２ウェル領域３１に形成されるＳＢＤの間隔が、活性領域のＳＢＤ間隔より小さい。すなわち、終端領域である第２ウェル領域３１に形成されるＳＢＤの密度が、活性領域のＳＢＤ密度より高い。したがって、ＳＢＤが形成されていないチップ外周部に向けてＳＢＤ電流が拡散して流れたとしても、活性領域端部のＳＢＤ電流密度が他の活性領域のＳＢＤ電流密度より低くならず、活性領域端部においても第１ウェル領域３０とドリフト層２０との間のｐｎ接合に順方向電流であるバイポーラ電流が流れることを抑制でき、ｐｎ接合の積層欠陥の拡張およびこの積層欠陥の拡張による絶縁耐圧の低下を抑制できる。
なお、第４離間領域２４を流れるＳＢＤ電流を増やす方法として、第４離間領域２４の幅を広げる方法や、第４離間領域２４のｎ型不純物濃度を高める方法が考えられるが、これらは耐圧保持時にＳＢＤにかかる逆バイアスを増加させるため、信頼性の観点で必ずしも好ましくない。
このように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、活性領域端部における還流動作時のバイポーラ動作を抑制することができ、信頼性を高めることができる。
また、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の還流動作時のバイポーラ動作抑制効果は、活性領域端部のＳＢＤと終端領域内のＳＢＤの距離が大きい場合に、さらに顕著な効果を奏する。
その理由は、先に説明したように、活性領域端部のＳＢＤから流れるＳＢＤ電流が外周方向に広がるためである。活性領域端部のＳＢＤと終端領域内のＳＢＤの距離が大きければ、活性領域端部のＳＢＤ電流が外周方向に広がりやすくなる。そのとき、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のように、終端領域のＳＢＤの間隔が活性領域のＳＢＤの間隔より小さいと、活性領域端部のＳＢＤ電流が外周方向に広がるのを抑制でき、活性領域端部の第１ウェル領域３０とドリフト層２０との間のｐｎ接合に順方向電流であるバイポーラ電流が流れることを抑制でき、ｐｎ接合の積層欠陥の拡張およびこの積層欠陥の拡張による絶縁耐圧の低下を抑制できる。
図４に、第２ウェル領域３１上の大部分にフィールド絶縁膜５１を形成した、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の断面模式図を示す。図４に示した構造の炭化珪素半導体装置では、第２ウェル領域３１上の活性領域側にゲート絶縁膜５０が形成されており、第２ウェル領域３１上の活性領域から見て遠い側にゲート絶縁膜５０より厚さの大きいフィールド絶縁膜５１が形成されている。
このとき、活性領域端部のＳＢＤと終端領域の最も内側のＳＢＤとの間に、フィールド絶縁膜５１の端部、すなわち、フィールド絶縁膜５１とゲート絶縁膜５０との境界が形成され、第２ウェル領域３１の内側に形成されるＳＢＤを形成するための第２コンタクトホール９１がフィールド絶縁膜５１を貫通して形成される。第２コンタクトホール９１をゲート絶縁膜５０より膜厚の大きいフィールド絶縁膜５１を貫通して形成するためのエッチング工程で、チップ平面方向のエッチング、すなわちサイドエッチの量が大きくなる。そのため、フィールド絶縁膜５１の端部や第２コンタクトホール９１の側壁の仕上がり位置がばらつきやすく、このばらつきを考慮してチップ平面方向に大きな寸法マージンを見込む必要が生じ、結果として、活性領域端部のＳＢＤと終端領域の最も内側のＳＢＤとの間の距離が、活性領域内のＳＢＤ同士の間隔より大きくなってしまう。
このような場合においても、図４にその断面模式図を示すように、終端領域内のＳＢＤ間の間隔を活性領域内のＳＢＤ同士の間隔より小さくすることにより、活性領域端部のＳＢＤ電流が外周方向に広がるのを抑制でき、活性領域端部の第１ウェル領域３０とドリフト層２０との間のｐｎ接合に順方向電流であるバイポーラ電流が流れることを抑制できる。その結果、ｐｎ接合の積層欠陥の拡張およびこの積層欠陥の拡張による絶縁耐圧の低下を抑制できる。
中でも、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の効果が特に大きいのは、活性領域とゲートコンタクトホール９５が形成される領域の間である。このような場所では、ゲート電極６０の電位を活性領域からゲートコンタクトホール９５まで接続して伝達する必要があるため、図４の断面図のようにゲート電極６０が終端領域と活性領域との間で完全に分離されるのではなく、断面図の奥行き方向のどこかでゲート電極６０が繋がっている架橋部が形成されている。ゲート電極６０の架橋部が形成される領域では、第２コンタクトホール９１を形成することができないため、終端領域のＳＢＤが形成されない。
図５に、活性領域端部から終端領域にかけての半導体層の構造を主に記載した本実施の形態の炭化珪素半導体装置の一部の平面模式図を示す。また、図６に、同じ活性領域端部から終端領域にかけてのゲート電極６０の構造を主に記載した本実施の形態の炭化珪素半導体装置の一部の平面模式図を示す。
図５および図６に記載されているように、終端領域のＳＢＤは活性領域端部の周囲に沿う方向について、断続的に形成されている。また、図６に示すように、ゲートコンタクトホール９５から活性領域に至る経路の途中に終端領域のＳＢＤが形成されており、第２ウェル領域３１の、上方にゲートコンタクトホール９５が形成されている領域の活性領域側では、ゲート電極６０（ゲート電極６０の架橋部）と終端領域のＳＢＤが活性領域端部の周囲に沿って交互に形成されている。
ここで、ゲート電極６０を流れるゲート電流が、ゲートコンタクトホール９５からゲート電極６０の架橋部を通った後に広い活性領域に広がって流れ、活性領域の至る所に形成された入力容量を充放電する動作を考えれば、仮にゲート電極６０の架橋部の幅が活性領域に形成されるゲート電極６０の幅と同程度であると、活性領域に対して架橋部におけるゲート電極６０中を流れるゲート電流の密度が高くなってしまうことが分かる。このような場合に、架橋部の高い抵抗によってスイッチング速度が制限され、高速スイッチングが実現できなくなったり、さらに顕著な場合には架橋部の発熱で素子が破壊してしまったりするという別の問題が生じる可能性がある。このような問題が発生するのを避けるためには、ゲート電極６０の架橋部の幅を活性領域に形成されるゲート電極６０の幅よりも広くすることが望ましい。
しかしながら、ゲート電極６０の架橋部の幅が広がると、架橋部によって活性領域の端部に沿う方向に分断される終端領域のＳＢＤ同士の距離も広がることから、架橋部に隣接する活性領域端部でのバイポーラ通電が生じやすくなってしまう。本実施の形態のように、チップ外周方向に沿って複数のＳＢＤを終端構造に設け、第２ウェル領域３１内に高密度のＳＢＤを形成することにより、終端領域のＳＢＤ電流を増やすことができるため、ゲート電極６０の架橋部近傍の活性領域端部でのバイポーラ通電を抑制しつつ、活性領域の端部に沿う方向に分断される終端領域ＳＢＤ同士の距離を大きく設計することができ、結果的に、架橋部のゲート電極６０の幅を大きくすることができ、高速スイッチングを実現することができる。
先にも説明したように、活性領域端部のＳＢＤと終端領域の最も内側のＳＢＤとの間の距離が活性領域内のＳＢＤ間の距離より大きくなるので、チップ外周に向かう方向に複数設けるなどの方法により終端領域内のＳＢＤ密度を高くすることによって、ゲート電極６０の架橋部を含む終端領域の活性領域側のＳＢＤ電流密度を高めることができ、活性領域端部のＳＢＤ電流がチップ外周側に広がることを抑制することができる。その結果、活性領域端部の第１ウェル領域３０とドリフト層２０との間のｐｎ接合に順方向電流であるバイポーラ電流が流れることを抑制でき、ｐｎ接合の積層欠陥の拡張およびこの積層欠陥の拡張による絶縁耐圧の低下を抑制できる。
図５および図６に記載されているように、終端領域の第２ショットキ電極７３間の間隔は、活性領域の第１ショットキ電極７１間の間隔より短い。また、終端領域の第２ショットキ電極７３の密度は、活性領域の第１ショットキ電極７１の密度より高い。
同様に、終端領域の第４離間領域２４間の間隔は、活性領域の第１離間領域２１間の間隔より短い。また、終端領域の第４離間領域２４の密度は、活性領域の第１離間領域２１の密度より高い。
さらに、終端領域のＳＢＤ間の間隔は、活性領域のＳＢＤ間の間隔より短い。終端領域のＳＢＤ密度は、活性領域のＳＢＤ密度より高い。
ここで、終端領域の第２ショットキ電極７３の密度、第４離間領域２４の密度、ＳＢＤ密度は、終端領域の第２ウェル領域３１内の密度、さらには、第２ウェル領域３１の中の、上方にゲートコンタクトホール９５が形成されている領域から活性領域側における密度であればよい。
なお、本実施の形態では第１ウェル領域３０と第２ウェル領域３１とが離間しているとして説明してきたが、第１ウェル領域３０と第２ウェル領域３１とがつながっていてもよい。また、第１ウェル領域３０が複数あり、複数の第１ウェル領域３０が互いに離間しているものとして説明したが、複数の第１ウェル領域３０どうしがつながっていてもよい。図７に、第１ウェル領域３０と第２ウェル領域３１とがつながっており、かつ、複数の第１ウェル領域３０どうしがつながっている場合の平面模式図を示す。
このような場合は、第１ウェル領域３０は、第１ウェル領域３０内のソース領域４０、あるいは、第１ウェル領域３０内の第１離間領域２１上に設けられた第１ショットキ電極７１のいずれかからの距離が５０μｍ以内であるものとする。
また、図８は、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の別の形態の、主に炭化珪素半導体部分を記載した平面模式図である。図８において、第２ウェル領域３１の一部に、第２ウェル領域３１とソース電極８０とをオーミック接続する第２ウェル領域コンタクトホール９２が形成されている。図９は、図８の第２ウェル領域コンタクトホール９２が形成されている箇所を含む断面を示した断面模式図である。図９において、第２ウェル領域コンタクトホール９２は、フィールド絶縁膜５１および層間絶縁膜５５を貫通して形成されている。また、第２ウェル領域コンタクトホール９２の下部の第２ウェル領域３１には、第２ウェル領域３１よりｐ型不純物濃度が高く低抵抗な第２ウェルコンタクト領域３６を設けてもよい。
第２ウェル領域コンタクトホール９２は、第２ウェル領域３１内の最短経路上で、第２コンタクトホール９１から断面横方向に、１０μｍ以上離れて形成されている。ここで、第２ウェル領域３１内で第２ウェル領域コンタクトホール９２から１０μｍ以上はなれた箇所は、実質的に非オーミック接続されていると見なす。第２ウェル領域３１内の最短経路上の第２コンタクトホール９１と第２ウェル領域コンタクトホール９２との距離は、より好ましくは、５０μｍ以上であればよい。
図１０と図１１とは、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のさらに別の形態の炭化珪素半導体装置の一部の断面模式図である。図１０、図１１において、第２ウェル領域３１の表層の一部に、第１導電型の炭化珪素導電性層４５を形成し、炭化珪素導電性層４５とソース電極８０とをオーミック接続するオーミック電極７２を形成したこと以外は、それぞれ図２、図４と同様である。図１２は、図１０、図１１の断面模式図の炭化珪素半導体装置に形成された炭化珪素導電性層４５を形成する領域を説明する平面模式図である。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置は、第２ウェル領域３１の表層の一部に、第１導電型の炭化珪素導電性層４５を形成しているので、上記効果に加えて、第２ウェル領域３１の平面横方向の抵抗を低減でき、炭化珪素半導体装置がオン／オフするときに第２ウェル領域３１に流れる変位電流による発生電圧を低減できる。したがって、より信頼性を高くすることができる。
なお、ここまで第４離間領域２４、第２ショットキ電極７３の平面形状として、正方形状のものが活性領域からチップ外周に向かって並んでいる例を示したが、これらの平面形状および配列方法は任意であり、例えば、図１３と図１４とにその半導体層とゲート電極６０の構造とをそれぞれ示すように、第４離間領域２４、第２ショットキ電極７３の平面形状を、チップ外周方向に沿って形成された複数のストライプ状にしてもよい。また、図１５と図１６とにその半導体層とゲート電極６０の構造とをそれぞれ示すように、第４離間領域２４、第２ショットキ電極７３の平面形状を、チップ外周に向かう方向に直交する方向に沿って形成された複数のストライプ形状にしてもよい。
なお、本実施の形態においては、各イオン注入を所定の順序で行なう例を示したが、イオン注入の順序は、適宜変更してもよい。また、裏面のオーミック電極、表面のオーミック電極７０、第１ショットキ電極７１、第２ショットキ電極７３の形成順序は適宜変更してもよい。
本実施の形態においては、第１ショットキ電極７１は、第１離間領域２１と第１ウェル領域３０の上のみに、また第２ショットキ電極７３は第４離間領域２４と第２ウェル領域３１の上のみに形成される例を示したが、オーミック電極７０や層間絶縁膜５５の上に形成されていても良い。
また、本実施の形態はチャネル領域やショットキ電極面がウエハ平面と平行に形成されるプレーナ型を想定して説明されたが、チャネル領域やショットキ電極面がウエハ平面と斜め、もしくは垂直に形成されるトレンチ型においても有効である。この場合、本明細書で定義される表面とは、ウエハ平面のみならず、トレンチ形成面も含まれる。
さらに、本実施の形態においては、第１離間領域２１は、ドリフト層２０と同じｎ型で、ドリフト層２０と同じ不純物濃度を有するものとしたが、第１離間領域２１のｎ型不純物濃度は、ドリフト層２０のｎ型不純物濃度より高くしてもよい。第２離間領域２２、第４離間領域２４についても、第１離間領域２１と同様である。
また、第１の導電型と第２の導電型が、それぞれ、ｎ型とｐ型として説明し、その反対であってもよいとして説明したが、第１の導電型がｎ型で、第２の導電型がｐ型である場合に、より効果を奏する。
実施の形態２．
実施の形態１の炭化珪素半導体装置の終端領域の第２ウェル領域３１に形成されたＳＢＤは、一つの第２コンタクトホール９１内に一つの第２ショットキ電極７３と一つの第４離間領域２４を備えていたが、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の終端領域のウェル領域に形成されたＳＢＤは、複数の第４離間領域２４間の間隔を活性領域の第１離間領域２１間の間隔より小さくした上で、複数の第４離間領域２４にまたがる第２コンタクトホール９１と第２ショットキ電極７３が形成されている。その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明を省略する。
図１７は、実施の形態１の説明で使用した図１のソース電極８０から炭化珪素半導体装置の外周部のゲート配線８２にかけてのａ－ａ’部分の断面を模式的に示す本実施の形態の炭化珪素半導体装置の断面模式図である。また、図１８は、同じ領域の半導体層を主に記載した平面模式図である。
図１７および図１８に示す本実施の形態の炭化珪素半導体装置の終端領域において、第２導電型の第２ウェル領域３１の平面上の内部には、炭化珪素で構成された第１導電型の第４離間領域２４が複数形成されており、第４離間領域２４の間の領域は、第２ウェル領域３１と同じ第２導電型の補助領域３８となっている。複数の第４離間領域２４の上部には、これらの間の補助領域３８の上部も含めて、第４離間領域２４とショットキ接続する第２ショットキ電極７３が形成されている。また、一つの第２ショットキ電極７３の下部に形成された複数の第４離間領域２４と第２ショットキ電極７３とを含むように、ゲート絶縁膜５０またはフィールド絶縁膜５１と層間絶縁膜５５を貫通して、第２コンタクトホール９１が形成されている。第２コンタクトホール９１内部には、第２ウェル領域３１と第２ショットキ電極７３と接するように、ソース電極８０が形成されている。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置の作製方法は実施の形態１と同様で、マスクパターンのみを変更して第２ショットキ電極７３、第４離間領域２４、第２コンタクトホール９１を形成すればよい。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、実施の形態１の炭化珪素半導体装置と同様の効果を奏しつつ、第２コンタクトホール９１、第２ショットキ電極の分割数を減らすことができ、第４離間領域２４間の距離を小さくすることができる。
したがって、第２ウェル領域３１内のＳＢＤ密度をより高めることができ、より高密度のＳＢＤ電流を流すことができる。その結果、活性領域端部のバイポーラ通電をより強力に抑制することができる。
このとき、第２ショットキ電極７３が第４離間領域２４同士を区切る補助領域３８と接触することになる。第２導電型の補助領域３８が平面視で第２ウェル領域３１と繋がっている場合、ソース電極８０に電気的に接続された第２ショットキ電極７３が補助領域３８とオーミック接続されていてしまうと、第２ウェル領域３１もソース電極８０に対してオーミック接続されてしまうことから、本発明の効果である第２ウェル領域３１のバイポーラ通電の抑制が実現できなくなる。したがって、本発明の第２ショットキ電極７３は第４離間領域２４のみならず、第２ウェル領域３１、補助領域３８に対してもショットキ特性を有する。これを実現するために、補助領域３８および第２ショットキ電極７３に接する第２ウェル領域３１の表面濃度は１×１０１９ｃｍ－３以下であることが望ましく、さらに望ましくは１×１０１８ｃｍ－３以下であることが望ましい。
一方、補助領域３８および第２ショットキ電極７３に接する第２ウェル領域３１の不純物面密度（深さ方向の体積密度の総和）が少ないと、オフ状態において空乏電界が補助領域で充分に終端せず、終端領域のＳＢＤの界面に大きな電界が印加されてしまう。そうすると、ショットキリーク電流が増え、チップ発熱が増えたり、素子の信頼性が悪化したりする恐れがある。したがって、補助領域３８および第２ショットキ電極７３に接する第２ウェル領域３１には、表面よりも深い領域に第２導電型不純物の濃度ピークを有するレトログレードプロファイルを有すことが望ましい。
実施の形態３．
実施の形態２では、補助領域３８が第２ウェル領域３１と繋がっている例を説明したが、本実施の形態では、補助領域３８の代わりに接地補助領域３９が形成され、接地補助領域３９と第２ウェル領域３１とが接続されておらず、第２ウェル領域３１はソース電極８０とオーミック接続されておらず、接地補助領域３９はソース電極８０とオーミック接続されている。また、接地補助領域３９の内側または間には、ｎ型の第４離間領域２４が形成されている。その他の点については、実施の形態１、２と同様であるので、詳しい説明を省略する。
図１９は、実施の形態１の説明で使用した図１のソース電極８０から炭化珪素半導体装置の外周部のゲート配線８２にかけてのａ－ａ’部分の断面を模式的に示す本実施の形態の炭化珪素半導体装置の断面模式図である。また、図２０は、同じ領域の半導体層を主に記載した平面模式図である。
図１９、図２０に示すように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置においては、平面視、断面視のいずれにおいても接地補助領域３９と第２ウェル領域３１とが分離されている。接地補助領域３９と第２ウェル領域３１との間には、ｎ型の第５離間領域２５が形成されており、第５離間領域２５の上には接地補助領域３９と第２ウェル領域３１に跨る第２ショットキ電極７３が形成されている。また、接地補助領域３９の炭化珪素表面側には、低抵抗ｐ型の炭化珪素で構成される第２コンタクト領域３３が、形成されており、第２コンタクト領域３３および接地補助領域３９の表面上には第２オーミック電極７４が形成されており、接地補助領域３９はソース電極８０に対してオーミック接続されている。
接地補助領域３９の内側または間には、第４離間領域２４が形成されており、第２ショットキ電極７３は、第４離間領域２４および第５離間領域２５に対してショットキ接続する。
第５離間領域２５は、ドリフト層２０と同じｎ型で、ドリフト層２０と同じ不純物濃度を有するものとする。第５離間領域２５のｎ型不純物濃度は、ドリフト層２０のｎ型不純物濃度より高くしてもよい。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置では、接地補助領域３９がソース電極８０にオーミック接続されているものの、その近傍に、第５離間領域２５や第４離間領域２４が、活性領域における第１離間領域２１の間隔を下回る小さい間隔で形成されている。そのため、接地補助領域３９の下層のドリフト層２０には十分なＳＢＤ電流が流れることで、接地補助領域３９とドリフト層２０の間に形成されたｐｎ接合にバイポーラ電流が流れることを避けることができる。
ここで、前述の通り、接地補助領域３９と第２ウェル領域３１とは平面視、断面視ともに分離されている。これに加えて、接地補助領域３９と第２ウェル領域３１とに跨る第２ショットキ電極７３はそれぞれに対してショットキ接触を有する。そのため、接地補助領域３９と第２ウェル領域３１とは電気的に分離されている。したがって、実施の形態１、２と同様に、第２ウェル領域３１はソース電極８０とオーミック接続されず、還流動作時に第２ウェル領域３１からバイポーラ電流が流れるのを防ぐことができる。
一方、本実施の形態では、接地補助領域３９がソース電極８０とオーミック接続されているため、還流動作時に接地補助領域３９がチャージアップすることはなく、接地補助領域３９に隣接する第４離間領域２４と第５離間領域２５とには、接地補助領域３９側から空乏層が広がらない。従って、接地補助領域３９がフローティングな場合に比べて、第４離間領域２４と第５離間領域２５を通して第２ショットキ電極７３に大きなＳＢＤ電流を流すことができる。その結果、活性領域端部のバイポーラ通電をより強力に抑制することができる。
また、本実施の形態では、接地補助領域３９、第４離間領域２４、第５離間領域２５、第２ショットキ電極７３、第２オーミック電極７４、第２コンタクト領域３３が単一のコンタクトホールである第２コンタクトホール９１の中に形成されており、これによって、複数のコンタクトホールに分けてこれらの構造を形成する場合に比べて、平面方向の占める面積を低減でき、素子サイズの拡大を抑制できる。
なお、接地補助領域３９がソース電極８０とオーミック接続されるために、本実施の形態では第２コンタクト領域３３と第２オーミック電極７４の両方を形成する例を示したが、第２コンタクト領域３３、第２オーミック電極７４のいずれか一方だけを形成しても、接地補助領域３９がソース電極８０とオーミック接続されればよい。
また、第２コンタクト領域３３と活性領域のコンタクト領域３２とは、同じイオン注入工程で同時に形成し、同じ不純物濃度にしてもよい。同様に、第２オーミック電極７４は、活性領域のオーミック電極７０と、同じ工程でシリサイドなどで形成してもよい。
このように、第２コンタクト領域３３とコンタクト領域３２、または、第２オーミック電極７４とオーミック電極７０を、それぞれ同じ工程で形成することにより、製造コストを低減することができる。
実施の形態４．
実施の形態１～３の炭化珪素半導体装置の終端領域では、原則として活性領域内の第１ウェル領域３０と終端構造の第２ウェル領域３１とは離間していて、第２ウェル領域３１はソース電極８０とオーミック接続されていなものについて主に説明したが、本実施の形態では、終端構造の第２ウェル領域３１が補助接続領域３４を経由して第１ウェル領域３０の一部と接続している。その他の構成については、実施の形態１～３と同様であるので、詳しい説明は省略する。
図２１は、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の平面模式図であるが、図２１において、活性領域の第１ウェル領域３０と終端領域の第２ウェル領域３１とが、第２導電型の補助接続領域３４を介して接続されている。図２１は、実施の形態１に適用した場合の図である。
第２導電型の補助接続領域３４は、イオン注入マスクを変更することにより、第２ウェル領域３１形成と同時に形成すればよい。
活性領域の第１ウェル領域３０と終端構造の第２ウェル領域３１とが完全に分離され、第２ウェル領域３１が完全にフローティングな状態の場合、条件や構造によっては、第２ウェル領域３１がチャージアップして、第２ウェル領域３１上の絶縁膜が絶縁破壊される可能性があった。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、第２ウェル領域３１が補助接続領域３４を介して第１ウェル領域３０と接続されており、第２ウェル領域３１上の絶縁膜の絶縁破壊の抑制をより確実なものにでき、より信頼性を高めることができる。
このとき、図２１の炭化珪素半導体装置の各辺中央近傍の補助接続領域３４に近い領域では、第３離間領域２３を介さず補助接続領域３４を通る電流が流れるため、耐圧劣化が起こる可能性がある。これに対して、図２１の炭化珪素半導体装置の各コーナー部近傍の補助接続領域３４に近い領域では、第２ウェル領域３１を平面横方向に長く電流が流れ、第２ウェル領域３１のシート抵抗による電圧降下が生じ、バイポーラ通電が抑制される。
実施の形態１の図７では、第１ウェル領域３０と第２ウェル領域３１とを多くの箇所で接続したが、本実施の形態では、第１ウェル領域３０と第２ウェル領域３１との接続箇所を限定したため、耐圧劣化が生じる可能性がある箇所も少なくなる。したがって、バイポーラ電流が第２ウェル領域３１に流れることによる耐圧劣化も限られたものになる。
このように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置によれば、第２ウェル領域３１がフローティングになることにより発生する絶縁破壊の可能性を低減させ、かつ、第２ウェル領域３１がバイポーラ通電することによる信頼性低下を最小限にすることができる。
なお、補助接続領域３４を設ける領域は、第３離間領域２３が形成された長さに対して短い方がよく、例えば第３離間領域２３が形成された長さの１／１０以下などにすればよい。このようにすることで、耐圧劣化が生じる可能性を約１／１０以下に低減し、素子の信頼性を格段に高めることができる。
なお、実施の形態１～４においては、ｎ型（第１導電型）不純物としてＮを用いたが、リンまたはヒ素であってもよい。ｐ型（第２導電型）不純物としてＡｌを用いたが、ホウ素またはガリウムであってもよい。
また、実施の形態１～４で説明したＭＯＳＦＥＴにおいては、ゲート絶縁膜５０は、必ずしも酸化珪素などの酸化膜である必要はなく、酸化膜以外の絶縁膜、または、酸化膜以外の絶縁膜と酸化膜とを組み合わせたものであってもよい。また、ゲート絶縁膜５０として炭化珪素を熱酸化した酸化珪素を用いたが、ＣＶＤ法による堆積膜の酸化珪素であってもよい。さらに、本発明は、スーパージャンクション構造を有するＭＯＳＦＥＴにも用いることができる。
また、上記実施形態では、ゲート絶縁膜５０を有するＭＯＳＦＥＴについて説明したが、ユニポーラデバイスであれば本発明を適用することができ、例えば、ゲート絶縁膜５０を有しないＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ＦＥＴ）やＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にも本発明を用いることができる。
さらに、上記実施形態では、ソース側のオーミック電極７０と第１ショットキ電極７１とが分離して作製されているが、同一材料で連続して形成されてもよいし、別材料で連続していてもよい。
また、第１ショットキ電極７１と第２ショットキ電極７３についても同一材料で形成されてもよいし、別材料で形成されてもよい。
また、上記実施形態では、結晶構造、主面の面方位、オフ角および各注入条件等、具体的な例を用いて説明したが、これらの数値範囲に適用範囲が限られるものではない。
実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～４にかかる炭化珪素半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図２２は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図２２に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図２２に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御する制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子には、上述した実施の形態１～４のいずれかにかかる炭化珪素半導体装置を適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
駆動回路２０２は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、駆動回路２０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路２０２は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子として実施の形態１～４にかかる炭化珪素半導体装置を適用するため、低損失、かつ、高速スイッチングの信頼性を高めた電力変換装置を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
１０ 半導体基板、２０ ドリフト層、２１ 第１離間領域、２２ 第２離間領域、２３ 第３離間領域、２４ 第４離間領域、２５ 第５離間領域、３０ 第１ウェル領域、３１ 第２ウェル領域、３２ コンタクト領域、３３ 第２コンタクト領域、３４ 補助接続領域、３７ ＪＴＥ領域、３８ 補助領域、３９ 接地補助領域、４０ ソース領域、４５ 炭化珪素導電性層、５０ ゲート絶縁膜、５１ フィールド絶縁膜、５５ 層間絶縁膜、６０ ゲート電極、７０ オーミック電極、７４ 第２オーミック電極、７１ 第１ショットキ電極、７３ 第２ショットキ電極、８０ ソース電極，ソースパッド、８１ ゲートパッド、８２ ゲート配線、８４ ドレイン電極、９０ 第１コンタクトホール、９１ 第２コンタクトホール、９２ 第２ウェル領域コンタクトホール、９５ ゲートコンタクトホール、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 駆動回路、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (11)

  1. 第１導電型の炭化珪素の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の表層に複数設けられた第２導電型の第１ウェル領域と、
    前記第１ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第１ウェル領域に隣接して形成された複数の第１導電型の第１離間領域と、
    前記第１離間領域上に設けられ、前記第１離間領域とショットキ接合する第１ショットキ電極と、
    前記第１ウェル領域上に設けられたオーミック電極と、
    前記第１ウェル領域と別に前記ドリフト層の表層に設けられた第２導電型の第２ウェル領域と、
    前記第２ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第２ウェル領域に隣接して形成され、複数の前記第１離間領域より間隔が短く形成された、複数の第１導電型の第４離間領域と、
    前記第４離間領域上に設けられ、前記第４離間領域とショットキ接合する第２ショットキ電極と、
    前記第１ウェル領域の表層部に形成された第１導電型のソース領域と、
    前記第１ウェル領域上および前記第２ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記第１ウェル領域上および前記第２ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極と接続され、前記第２ウェル領域の上方に形成されたゲートパッドと、
    前記第１ショットキ電極、前記第２ショットキ電極、および、前記オーミック電極に電気的に接続され、前記第２ウェル領域との接続の全てが非オーミック接続であるソース電極と
    を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
  2. 第１導電型の炭化珪素の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された第１導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の表層に複数設けられた第２導電型の第１ウェル領域と、
    前記第１ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第１ウェル領域に隣接して形成された複数の第１導電型の第１離間領域と、
    前記第１離間領域上に設けられ、前記第１離間領域とショットキ接合する第１ショットキ電極と、
    前記第１ウェル領域上に設けられたオーミック電極と、
    前記第１ウェル領域と別に前記ドリフト層の表層に設けられた第２導電型の第２ウェル領域と、
    前記第２ウェル領域の表面から前記ドリフト層に至るまで前記第２ウェル領域に隣接して形成され、前記第１離間領域より平面方向に高密度に形成された、複数の第１導電型の第４離間領域と、
    前記第４離間領域上に設けられ、前記第４離間領域とショットキ接合する第２ショットキ電極と、
    前記第１ウェル領域の表層部に形成された第１導電型のソース領域と、
    前記第１ウェル領域上および前記第２ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記第１ウェル領域上および前記第２ウェル領域上の前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極と接続され、前記第２ウェル領域の上方に形成されたゲートパッドと、
    前記第１ショットキ電極、前記第２ショットキ電極、および、前記オーミック電極に電気的に接続され、前記第２ウェル領域との接続の全てが非オーミック接続であるソース電極と
    を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
  3. 前記第１ウェル領域と前記第２ウェル領域が離間している
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
  4. 前記第２ウェル領域上に前記ゲート絶縁膜より膜厚が大きいフィールド絶縁膜を備え、前記フィールド絶縁膜を貫通して形成され、前記第２ショットキ電極と前記ソース電極とを接続する第２コンタクトホールを備えたことを特徴とする
    請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  5. 前記ゲート絶縁膜と前記フィールド絶縁膜との境界が、前記第１離間領域と前記第４離間領域との間にあることを特徴とする
    請求項４に記載の炭化珪素半導体装置。
  6. 前記第２ウェル領域の上層部に前記第２ウェル領域より抵抗率が低い炭化珪素導電性層を備えたことを特徴とする
    請求項１から５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  7. 複数の前記第４離間領域の間の上方に、前記ゲート電極を備えたことを特徴とする
    請求項１から６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  8. 前記第４離間領域の間の上方に形成された前記ゲート電極の幅は、前記第１ウェル領域近傍の前記第１離間領域間の上方に形成された前記ゲート電極の幅より大きいことを特徴とする
    請求項１から７のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  9. 前記第２ショットキ電極は、前記第２ウェル領域の一部の上に形成されており、
    前記第２ウェル領域の前記第２ショットキ電極と接する領域の不純物濃度は、前記第２ウェル領域の前記第２ショットキ電極から深さ方向に離れた領域の不純物濃度より低いことを特徴とする
    請求項１から８のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
  10. 前記第２ショットキ電極は、平面視で前記第２コンタクトホール内に形成された複数の前記第４離間領域と、前記第４離間領域間に形成された第２導電型の補助領域との上に形成されており、
    前記補助領域の前記第２ショットキ電極と接する領域の不純物濃度は、前記補助領域の前記第２ショットキ電極から深さ方向に離れた領域の不純物濃度より低いことを特徴とする
    請求項４に記載の炭化珪素半導体装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記炭化珪素半導体装置を駆動する駆動信号を前記炭化珪素半導体装置に出力する駆動回路と、
    前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、を備えた電力変換装置。
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