JP7192683B2 - Method for sorting silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、炭化珪素半導体装置の選別方法に関する。 The present invention relates to a method for sorting silicon carbide semiconductor devices.
従来、高電圧や大電流を制御するパワー半導体装置の構成材料として、シリコン(Si)が用いられている。パワー半導体装置は、バイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)など複数種類あり、これらは用途に合わせて使い分けられている。 Conventionally, silicon (Si) has been used as a constituent material of power semiconductor devices that control high voltages and large currents. There are multiple types of power semiconductor devices, including bipolar transistors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). It is
例えば、バイポーラトランジスタやIGBTは、MOSFETに比べて電流密度は高く大電流化が可能であるが、高速にスイッチングさせることができない。具体的には、バイポーラトランジスタは数kHz程度のスイッチング周波数での使用が限界であり、IGBTは数十kHz程度のスイッチング周波数での使用が限界である。一方、パワーMOSFETは、バイポーラトランジスタやIGBTに比べて電流密度が低く大電流化が難しいが、数MHz程度までの高速スイッチング動作が可能である。 For example, bipolar transistors and IGBTs have higher current densities than MOSFETs and can handle large currents, but cannot be switched at high speed. Specifically, bipolar transistors are limited to use at a switching frequency of about several kHz, and IGBTs are limited to use at a switching frequency of about several tens of kHz. On the other hand, a power MOSFET has a lower current density than a bipolar transistor or an IGBT, making it difficult to increase the current, but it is capable of high-speed switching operation up to several MHz.
しかしながら、市場では大電流と高速性とを兼ね備えたパワー半導体装置への要求が強く、IGBTやパワーMOSFETはその改良に力が注がれ、現在ではほぼ材料限界に近いところまで開発が進んでいる。パワー半導体装置の観点からシリコンに代わる半導体材料が検討されており、低オン電圧、高速特性、高温特性に優れた次世代のパワー半導体装置を作製(製造)可能な半導体材料として炭化珪素(SiC)が注目を集めている。 However, there is a strong demand in the market for power semiconductor devices that combine large current and high speed, and efforts have been made to improve IGBTs and power MOSFETs. . From the viewpoint of power semiconductor devices, semiconductor materials that can replace silicon are being investigated, and silicon carbide (SiC) is a semiconductor material that can be used to fabricate (manufacture) next-generation power semiconductor devices with excellent low on-voltage, high-speed characteristics, and high-temperature characteristics. is attracting attention.
その背景には、次のことが挙げられる。SiCは化学的に非常に安定な材料であり、バンドギャップが3eVと広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用できる。また、最大電界強度もシリコンより1桁以上大きい。SiCはシリコンにおける材料限界を超える可能性大であることからパワー半導体用途、特にMOSFETでは今後の伸長が大きく期待される。特にそのオン抵抗が小さいことが期待されており、高耐圧特性を維持したままより一層の低オン抵抗を有する縦型SiC-MOSFETが期待できる。 The background is as follows. SiC is a chemically very stable material, has a wide bandgap of 3 eV, and can be used extremely stably as a semiconductor even at high temperatures. Also, the maximum electric field strength is one order of magnitude higher than that of silicon. Since SiC has a high possibility of exceeding the material limit of silicon, future growth is greatly expected for power semiconductor applications, especially for MOSFETs. In particular, its on-resistance is expected to be small, and a vertical SiC-MOSFET having even lower on-resistance while maintaining high breakdown voltage characteristics can be expected.
従来の炭化珪素半導体装置の構造について、縦型MOSFETを例に説明する。図14は、従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図14に示すように、n+型炭化珪素基板101のおもて面上にn型炭化珪素エピタキシャル層102が堆積され、n型炭化珪素エピタキシャル層102の表面上にp+型ベース領域103が選択的に設けられ、n型炭化珪素エピタキシャル層102の表面中にp型ベース層104が選択的に設けられる。また、p型ベース層104の表面中にn+型ソース領域105、p+型コンタクト領域106、n型ウェル領域107が選択的に設けられる。
The structure of a conventional silicon carbide semiconductor device will be described using a vertical MOSFET as an example. FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional silicon carbide semiconductor device. As shown in FIG. 14, n type silicon carbide
p型ベース層104およびn+型ソース領域105との表面上に、ゲート絶縁膜108を介してゲート電極109が設けられている。また、p+型コンタクト領域106およびn+型ソース領域105の表面上に、ソース電極110が設けられている。また、n+型炭化珪素基板101の裏面上には、ドレイン電極111が設けられている。
A
このような構造の縦型MOSFETは、ソース-ドレイン間にボディーダイオードとしてp+型ベース領域103とn型炭化珪素エピタキシャル層102とで形成される寄生pnダイオードを内蔵する。この寄生pnダイオードは、ソース電極110に高電位を印加することで動作させることができ、図14において矢印Aで示す方向に電流が流れる。このように、MOSFETではIGBTと異なり、寄生pnダイオードを内蔵しているため、インバータに用いる還流ダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)を省略することができ、低コスト化および小型化に貢献する。これ以降、MOSFETの寄生pnダイオードを内蔵ダイオードと称する。
A vertical MOSFET having such a structure incorporates a parasitic pn diode formed by p + -
この内蔵ダイオードを用いて、炭化珪素MOSFETを選別する方法が知られている。例えば、炭化珪素半導体装置の温度を235℃以上300℃以下に設定し、周波数が10kHz以上100kHz以下の順方向電流を流し、順方向電圧の変化率が3%より低い炭化珪素半導体装置を選別している(例えば、特許文献1参照)。これにより、インバータ回路で高温長時間使用しても、信頼性が低下することのない炭化珪素半導体装置をスクリーニングできる。 A method of sorting silicon carbide MOSFETs using this built-in diode is known. For example, the temperature of the silicon carbide semiconductor device is set to 235° C. or more and 300° C. or less, a forward current with a frequency of 10 kHz or more and 100 kHz or less is passed, and silicon carbide semiconductor devices having a forward voltage change rate of less than 3% are selected. (See, for example, Patent Document 1). Thereby, it is possible to screen a silicon carbide semiconductor device that does not deteriorate in reliability even when it is used in an inverter circuit at high temperature for a long time.
しかしながら、従来の炭化珪素MOSFETの選別方法では、特定の周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別していなかった。所定の周波数の順方向電流を流して、炭化珪素半導体装置を選別しているため、所定の周波数より高い周波数で正常に動作する炭化珪素半導体装置を選別していない。また、所定の周波数で不適格品と選別された炭化珪素半導体装置でも、所定の周波数より低い周波数で正常に動作する場合があり、所定の周波数より低い周波数で正常に動作する炭化珪素半導体装置を選別していない。 However, the conventional silicon carbide MOSFET selection method does not select silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a specific frequency. Since silicon carbide semiconductor devices are sorted by passing a forward current of a predetermined frequency, silicon carbide semiconductor devices that normally operate at a frequency higher than the predetermined frequency are not sorted out. Further, even a silicon carbide semiconductor device that has been screened as a non-conforming product at a predetermined frequency may operate normally at a frequency lower than the predetermined frequency. not selected.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、特定の周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別できる炭化珪素半導体装置の選別方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for selecting silicon carbide semiconductor devices capable of selecting silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a specific frequency, in order to solve the above-described problems of the prior art.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、次の特徴を有する。内蔵ダイオードを有する炭化珪素半導体装置の選別方法である。まず、前記炭化珪素半導体装置の前記内蔵ダイオードに所定の周波数の順方向電流を流す第1工程を行う。次に、前記所定の周波数の一周期中に前記順方向電流がオン状態である時間より短い時間の間、前記順方向電流の増加時に時間と電圧の曲線に極大値が発生している前記炭化珪素半導体装置を選別する第2工程を行う。 In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a method for sorting silicon carbide semiconductor devices according to the present invention has the following features. A selection method for silicon carbide semiconductor devices having built-in diodes. First, a first step of passing a forward current of a predetermined frequency through the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device is performed. Next, for a period of time shorter than the time during which the forward current is in the on state during one cycle of the predetermined frequency, the carbonization is performed such that a maximum value occurs in the curve of time vs. voltage when the forward current increases. A second step of sorting silicon semiconductor devices is performed.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記所定の周波数を増加する第3工程と、前記増加させた周波数の順方向電流を前記炭化珪素半導体装置に流し、前記短い時間の間、前記順方向電流の増加時に時間と電圧の曲線に極大値が発生している前記炭化珪素半導体装置を選別する第4工程と、をさらに含むことを特徴とする。 Further, a method for selecting a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is, in the invention described above, a third step of increasing the predetermined frequency; and a fourth step of selecting the silicon carbide semiconductor device in which the curve of time versus voltage has a maximum value during the short period of time when the forward current increases.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体基板のおもて面に設けられた第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の、前記炭化珪素半導体基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表面層に選択的に設けられた、前記炭化珪素半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、前記第2半導体層に接触するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の前記第2半導体層と接触する面と反対側の表面に設けられたゲート電極と、前記第1半導体領域と前記第2半導体層の表面に設けられた第1電極と、前記炭化珪素半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、を備えることを特徴とする。 Further, in the method for selecting a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the invention described above, the silicon carbide semiconductor device includes a first semiconductor layer of a first conductivity type provided on a front surface of a silicon carbide semiconductor substrate. , a second semiconductor layer of a second conductivity type provided on the side opposite to the silicon carbide semiconductor substrate side of the first semiconductor layer, and selectively provided on a surface layer of the second semiconductor layer, a first conductivity type first semiconductor region having an impurity concentration higher than that of the silicon carbide semiconductor substrate; a gate insulating film in contact with the second semiconductor layer; and a surface of the gate insulating film in contact with the second semiconductor layer. a gate electrode provided on the opposite surface, a first electrode provided on the surfaces of the first semiconductor region and the second semiconductor layer, and a second electrode provided on the back surface of the silicon carbide semiconductor substrate; characterized by comprising
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体装置は、前記第2半導体層を貫通して、前記第1半導体層に達するトレンチをさらに備え、前記ゲート電極は、前記トレンチの内部に前記ゲート絶縁膜を介して設けられていることを特徴とする。 Further, in the method for selecting a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the silicon carbide semiconductor device further includes a trench penetrating the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer, A gate electrode is provided inside the trench via the gate insulating film.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体装置の耐圧は、3300V以上であることを特徴とする。 Further, according to the method for selecting a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the invention described above, the silicon carbide semiconductor device has a withstand voltage of 3300 V or higher.
上述した発明によれば、炭化珪素半導体装置に、所定の周波数の電流を印加し、短い時間の間、電流の増加時に時間と電圧の曲線に極大値が発生しているか否かで炭化珪素半導体装置を選別している。これにより、特定のスイッチング周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別でき、高周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別できる。 According to the above-described invention, a current of a predetermined frequency is applied to the silicon carbide semiconductor device, and the silicon carbide semiconductor device determines whether or not a maximum value occurs in the time-voltage curve during a short period of time when the current increases. Selecting equipment. Thereby, silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a specific switching frequency can be selected, and silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a high frequency can be selected.
本発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法によれば、特定の周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別できるという効果を奏する。 According to the method for selecting silicon carbide semiconductor devices according to the present invention, it is possible to select silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a specific frequency.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Preferred embodiments of a method for sorting silicon carbide semiconductor devices according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, layers and regions prefixed with n or p mean that electrons or holes are majority carriers, respectively. Also, + and - attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region not attached, respectively. In the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法を示すフローチャートである。以下では、炭化珪素半導体装置として、MOSFETを例に説明するが、MOSゲート構造を有する他の炭化珪素半導体装置でも同様である。最初に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置について説明する。図2は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a flowchart showing a method for sorting silicon carbide semiconductor devices according to an embodiment. Although a MOSFET will be described below as an example of a silicon carbide semiconductor device, the same applies to other silicon carbide semiconductor devices having a MOS gate structure. First, a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment.
半導体装置20は、半導体基板10のおもて面側にMOSゲート(金属-酸化膜-半導体の3層構造からなる絶縁ゲート)を備えた縦型MOSFETである。ここでは、半導体装置20がピン状の配線部材(後述する端子ピン48a)を用いた同一構成の配線構造を有する場合を例に説明するが、ピン状の配線部材に代えて、ワイヤーを用いた配線構造を有していてもよい。
The
半導体基板10は、炭化珪素からなるn+型出発基板(炭化珪素半導体基板)31上にn-型ドリフト領域(第1導電型の第1半導体層)32およびp型ベース領域(第2導電型の第2半導体層)34aとなる各炭化珪素層71,72を順にエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板である。半導体装置20は、半導体基板10のおもて面側に設けられたp型ベース領域34a、n+型ソース領域(第1導電型の第1半導体領域)35a、p++型コンタクト領域36a、トレンチ37a、ゲート絶縁膜38aおよびゲート電極39aで構成される一般的なMOSゲートを有する。
トレンチ37aは、半導体基板10のおもて面(p型炭化珪素層72の表面)から深さ方向Zにp型炭化珪素層72を貫通してn-型炭化珪素層71に達する。トレンチ37aは、例えば、半導体基板10のおもて面に平行な方向に延びるストライプ状に配置されている。
Trench 37 a penetrates p-type
トレンチ37aの内部には、ゲート絶縁膜38aを介してゲート電極39aが設けられている。互いに隣り合う2つのトレンチ37a間(メサ領域)において、半導体基板10のおもて面の表面領域に、p型ベース領域34a、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aがそれぞれ選択的に設けられている。n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aは、半導体基板10のおもて面とp型ベース領域34aの間に設けられている。
A
n+型ソース領域35aは、p++型コンタクト領域36aよりもトレンチ37a側に設けられている。p++型コンタクト領域36aは設けられていなくてもよい。p++型コンタクト領域36aが設けられていない場合、n+型ソース領域35aよりもトレンチ37aから離れた箇所で、p型ベース領域34aが半導体基板10のおもて面まで達し、半導体基板10のおもて面に露出されている。
The n + -
半導体基板10の内部において、p型ベース領域34aよりもn+型ドレイン領域(n+型出発基板31)に近い位置に、p型ベース領域34aに接して、n-型ドリフト領域32が設けられている。p型ベース領域34aとn-型ドリフト領域32との間に、これらの領域に接して、n型電流拡散領域33aが設けられていてもよい。n型電流拡散領域33aは、キャリアの広がり抵抗を低減させる、いわゆる電流拡散層(Current Spreading Layer:CSL)である。
Inside the
また、半導体基板10の内部において、p型ベース領域34aよりもn+型ドレイン領域に近い位置に、第2p+型領域61aおよび第1p+型領域62aが設けられている。第2p+型領域61aは、p型ベース領域34aと離して設けられ、深さ方向Zにトレンチ37aの底面に対向する。第2p+型領域61aの一部は、第1p+型領域62aに連結されている。
Further, inside the
第1p+型領域62aは、第2p+型領域61aおよびトレンチ37aと離してメサ領域に設けられ、p型ベース領域34aに接する。第1,2p+型領域62a,61aは、p型ベース領域34aを介して半導体装置20のソース電位に固定されている。第1,2p+型領域62a,61aは、トレンチ37aの底面にかかる電界を緩和させる機能を有する。
The first p + -
層間絶縁膜40は、半導体基板10のおもて面全面に設けられ、ゲート電極39aを覆う。半導体装置20のすべてのゲート電極39aは、図示省略する部分で、ゲートランナー(不図示)を介してゲートパッド(不図示)に電気的に接続されている。ゲートランナーは、オン時に電流の流れる活性領域の周囲を囲み耐圧を保持するエッジ終端領域において、半導体基板10のおもて面上にフィールド絶縁膜(不図示)を介して設けられ、活性領域の周囲を略矩形状に囲むゲートポリシリコン層である。耐圧とは、素子が誤動作や破壊を起こさない限界の電圧である。
The
層間絶縁膜40を深さ方向Zに貫通して半導体基板10に達する第1コンタクトホール40aには、半導体装置20のn+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aが露出されている。第1コンタクトホール40aの内部において、半導体基板10のおもて面上に、ニッケルシリサイド(NiSi、Ni2Siまたは熱的に安定なNiSi2:以下、まとめてNiSiとする)膜41aが設けられている。
The n + -
NiSi膜41aは、第1コンタクトホール40aの内部において半導体基板10にオーミック接触し、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aに電気的に接続されている。p++型コンタクト領域36aが設けられていない場合には、p++型コンタクト領域36aに代えて、p型ベース領域34aが第1コンタクトホール40aに露出され、NiSi膜41aに電気的に接続される。
The
層間絶縁膜40およびNiSi膜41aの表面全体に、バリアメタル46aが設けられている。バリアメタル46aは、バリアメタル46aの各金属膜間またはバリアメタル46aを挟んで対向する領域間での相互反応を防止する機能を有する。バリアメタル46aは、例えば、第1窒化チタン(TiN)膜42a、第1チタン(Ti)膜43a、第2TiN膜44aおよび第2Ti膜45aを順に積層した積層構造を有していてもよい。
A
第1TiN膜42aは、層間絶縁膜40の表面のみに設けられ、層間絶縁膜40の表面全体を覆う。第1Ti膜43aは、第1TiN膜42aおよびNiSi膜41aの表面に設けられている。第2TiN膜44aは、第1Ti膜43aの表面に設けられている。第2Ti膜45aは、第2TiN膜44aの表面に設けられている。
The
ソースパッド21aは、第1コンタクトホール40aに埋め込まれ、かつ第2Ti膜45aの表面全面に設けられている。ソースパッド21aは、バリアメタル46aおよびNiSi膜41aを介してn+型ソース領域35aおよびp型ベース領域34aに電気的に接続され、半導体装置20のソース電極として機能する。ソースパッド21aは、例えば、5μm程度の厚さのアルミニウム(Al)膜またはAl合金膜である。
The
具体的には、ソースパッド21aをAl合金膜とする場合、ソースパッド21aは、例えば、シリコンを全体の5%以下程度含むアルミニウム-シリコン(Al-Si)膜であってもよいし、シリコンを全体の5%以下程度および銅(Cu)を全体の5%以下程度含むアルミニウム-シリコン-銅(Al-Si-Cu)膜であってもよいし、銅を全体の5%以下程度含むアルミニウム-銅(Al-Cu)膜であってもよい。
Specifically, when the
ソースパッド21a上には、めっき膜47aおよびはんだ層(不図示)を介して、端子ピン48aの一方の端部が接合されている。端子ピン48aの他方の端部は、半導体基板10のおもて面に対向するように配置された金属バー(不図示)に接合されている。また、端子ピン48aの他方の端部は、半導体基板10を実装したケース(不図示)の外側に露出し、外部装置(不図示)と電気的に接続される。端子ピン48aは、所定直径を有する丸棒状(円柱状)の配線部材である。
One end of a
端子ピン48aは、半導体基板10のおもて面に対して略垂直に立てた状態でめっき膜47aにはんだ接合されている。端子ピン48aは、ソースパッド21aの電位を外部に取り出す外部接続用端子であり、外部の接地電位(最低電位)に接続されている。ソースパッド21aの表面のめっき膜47a以外の部分は第1保護膜49aで覆われ、めっき膜47aと第1保護膜49aとの境界は第2保護膜50aで覆われている。第1,2保護膜49a,50aは例えばポリイミド膜である。
The
ドレイン電極51は、半導体基板10の裏面(n+型出発基板31の裏面)全面にオーミック接触している。ドレイン電極51上には、例えば、Ti膜、ニッケル(Ni)膜および金(Au)膜を順に積層した積層構造でドレインパッド(電極パッド:不図示)が設けられている。ドレインパッドは、金属ベース板(不図示)にはんだ接合され、当該金属ベース板を介して冷却フィン(不図示)のベース部に少なくとも一部が接触している。
The
図1に戻り、炭化珪素半導体装置の選別方法において、まず、炭化珪素半導体装置に印加する電流の周波数を設定する(ステップS1)。例えば、炭化珪素半導体装置が使用される最低のスイッチング周波数を印加する電流の周波数として設定する。また、炭化珪素半導体装置に印加する電流は、徐々に電流が上昇する三角波でも、電流が急激に上昇する矩形波でもかまわない。 Returning to FIG. 1, in the method for selecting silicon carbide semiconductor devices, first, the frequency of the current to be applied to the silicon carbide semiconductor devices is set (step S1). For example, the lowest switching frequency at which the silicon carbide semiconductor device is used is set as the frequency of the current to be applied. Moreover, the current applied to the silicon carbide semiconductor device may be a triangular wave in which the current gradually rises or a rectangular wave in which the current rises abruptly.
次に、MOSFETの内蔵ダイオードに順方向電流を通電する(ステップS2)。具体的には、MOSFETのゲート電極39aとソース電極(ソースパッド21a)を短絡させ、ソース電極に正の電圧を印加し、ドレイン電極51の電位を0にすることで、内蔵ダイオード16a(図2参照)を通電する。
Next, a forward current is applied to the built-in diode of the MOSFET (step S2). Specifically, the
ここで、図3は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードの順方向電圧の周波数依存性を示すグラフである。図3において、横軸は、n型エピタキシャルであるn-型炭化珪素層71の厚さを示し、単位はμmである。縦軸は、内蔵ダイオード16aの順方向電圧Vfを示し、単位はVである。
Here, FIG. 3 is a graph showing frequency dependence of the forward voltage of the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. In FIG. 3, the horizontal axis represents the thickness of the n − -type
炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオード16aの順方向電圧Vfは3V程度であるが、図3に示すように、n-型炭化珪素層71が厚くなるほど、つまり、耐圧が高くなるほど順方向電圧Vfが高くなる。さらに、内蔵ダイオードに通電した順方向電流の周波数が高くなるほど順方向電圧Vfが高くなる。
The forward voltage Vf of the built-in diode 16a of the silicon carbide semiconductor device is about 3 V, but as shown in FIG. 3, the thicker the n − -type
順方向電流の周波数が高くなると、n-型炭化珪素層71の内部での伝導度変調に時間遅れが発生して、伝導度変調が不均一になりやすくなる。このため、順方向電流の周波数が高くなるほど、順方向電圧Vfが高くなる。また、n-型炭化珪素層71が厚いほど内部に結晶欠陥が潜在的に発生しやすくなり、結晶欠陥の領域でライフタイムを低下させ、伝導度変調が不均一になりやすく、n-型炭化珪素層71が厚いほど順方向電圧Vfが高くなる。
When the frequency of the forward current increases, a time delay occurs in the conductivity modulation inside the n − -type
この図3は、順方向電流を長時間印加した後での順方向電圧Vfの測定結果であり、長時間印加した後では、順方向電圧Vfが高くなるが内蔵ダイオード16aは正常に動作しているように見え、炭化珪素半導体装置を選別することはできない。ここで、長時間とは、順方向電流の周波数の一周期よりも長い時間である。例えば、1kHzの周波数である場合、一周期は1msであり、長時間は1msより長い時間である。 FIG. 3 shows the measurement result of the forward voltage Vf after applying the forward current for a long time. After applying the forward current for a long time, the forward voltage Vf increases, but the built-in diode 16a does not operate normally. However, the silicon carbide semiconductor device cannot be sorted out. Here, a long time is a time longer than one period of the frequency of the forward current. For example, if the frequency is 1 kHz, one period is 1 ms and the long time is longer than 1 ms.
このため、実施の形態では、短い時間での内蔵ダイオード16aの電流と電圧との関係から炭化珪素半導体装置を選別する。ここで、短い時間とは、順方向電流の周波数の一周期中において、順方向電流がオン状態である時間より短い時間である。オン状態とは、順方向電流の電流値が0より大きい状態であり、オフ状態は、順方向電流の電流値が0の状態である。例えば、1kHzの周波数でDuty比(オン状態の時間とオフ状態の時間の和である全時間に対するオン状態である時間の比)が50%である場合、一周期に順方向電流がオン状態である時間は500μsである。そこで、実施の形態では、短い時間の間、電流の増加時に時間と電圧の曲線にこぶ(極大値)が発生しているか否かを判断する(ステップS3)。 Therefore, in the embodiment, the silicon carbide semiconductor device is selected based on the relationship between the current and voltage of built-in diode 16a in a short period of time. Here, the short time is a time shorter than the time during which the forward current is in the ON state during one cycle of the frequency of the forward current. The ON state is a state in which the current value of the forward current is greater than zero, and the OFF state is a state in which the current value of the forward current is zero. For example, when the duty ratio (the ratio of the ON state time to the total time that is the sum of the ON state time and the OFF state time) is 50% at a frequency of 1 kHz, the forward current is in the ON state in one cycle. One time is 500 μs. Therefore, in the embodiment, it is determined whether or not there is a hump (maximum value) in the time-voltage curve during an increase in current for a short period of time (step S3).
図4は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードに周波数1kHzの電流を印加した際の時間と、電流、電圧との関係を示すグラフである。図4において、横軸は、時間を示し、単位はμsである。縦軸は、内蔵ダイオード16aの電圧と電流を示す。図4では、1kHzの周波数で、Duty比が50%である電流を流した際の、0μs~500μsまでの電流、電圧を示している。電流はIの直線であり、電圧は複数のVの直線である。n-型炭化珪素層71が5μm~60μmの場合の電圧であり、最も低い電圧は5μmの場合であり、次に低い電圧は10μmの場合であり、順に15μm、30μmとなり、最も高い電圧は60μmの場合である。図4に示すように、1kHz程度の低周波数では、電流増加に比例して電圧も同時に増加している。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between time, current, and voltage when a current with a frequency of 1 kHz is applied to the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. In FIG. 4, the horizontal axis indicates time, and the unit is μs. The vertical axis indicates the voltage and current of the built-in diode 16a. FIG. 4 shows current and voltage from 0 μs to 500 μs when a current with a duty ratio of 50% is flowed at a frequency of 1 kHz. Current is the I line and voltage is the V line. The voltage is when the n − type
図5は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードに周波数100kHzの電流を印加した際の時間と、電流、電圧との関係を示すグラフである。図5において、横軸は、時間を示し、単位はμsである。縦軸は、内蔵ダイオード16aの電圧と電流を示す。図5では、100kHzの周波数で、Duty比が50%である電流を流した際の、0μs~5μsまでの電流、電圧を示している。電流はIの直線であり、電圧は複数のVの曲線である。n-型炭化珪素層71が5μm~60μmの場合の電圧であり、図4と同様に最も低い電圧は5μmの場合であり、次に低い電圧は10μmの場合であり、順に15μm、30μmとなり、最も高い電圧は60μmの場合である。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between time, current, and voltage when a current with a frequency of 100 kHz is applied to the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. In FIG. 5, the horizontal axis indicates time, and the unit is μs. The vertical axis indicates the voltage and current of the built-in diode 16a. FIG. 5 shows current and voltage from 0 μs to 5 μs when a current with a duty ratio of 50% is passed at a frequency of 100 kHz. The current is the I line and the voltage is the multiple V curve. The voltage is when the n − -type
図5に示すように、100kHz程度の高周波数になると、電流増加時に電圧が同時に増加せず、減少する場合がある。つまり、時間と電圧の曲線にこぶ(極大値)Pが発生している。図5では、n-型炭化珪素層71の厚さが30μm以上であると、こぶが発生し、30μmより薄いとこぶが発生していない。
As shown in FIG. 5, at a high frequency of about 100 kHz, when the current increases, the voltage may decrease instead of increasing at the same time. That is, a hump (maximum value) P occurs in the time-voltage curve. In FIG. 5, when the thickness of the n − -type
ドレイン電極に負の電圧が印加され、ソース電極に正の電圧が印加されるとn-型炭化珪素層71で伝導度変調が起こり通電が始まる。n-型炭化珪素層71が厚くなり、さらに周波数が高くなると、つまりオン状態である時間が短くなると外からの電流変化に対応する伝導度変調が間に合わず、伝導度変調が不均一になりやすくなる。特に、深さ方向での不均一になりやすい。
When a negative voltage is applied to the drain electrode and a positive voltage is applied to the source electrode, conductivity modulation occurs in the n − -type
このため、電流が外部から強制的に通電され、高周波数化に伴い、di/dtが高くなると、この電流を維持するために素子内部の、n-型ドリフト領域32と第1p+型領域62aとの界面等のpn接合層近辺で素子自体が電界を高くしてドリフト電流により、電流を流すようにする必要がある。このため、低い電流値で急に電圧が高くなっている。特に、n-型炭化珪素層71の厚さが20μm以上で、n-型炭化珪素層71内に結晶欠陥が多く存在すると伝導度変調が不均一になり、急激な電流の立ち上がりに電圧が対応できない素子となり、時間と電圧の曲線にこぶが発生する。このような、半導体素子では、急激な電流の立ち上がりに電圧が追従できないため、高周波数での駆動に適していない。
Therefore, when a current is forcibly supplied from the outside and di/dt increases as the frequency increases, the n − -
一方、n-型炭化珪素層71の厚さが20μm以上でも、n-型炭化珪素層71内に結晶欠陥があまり存在しないと、di/dtが高くなっても、つまり電流の周波数が高くなっても、急激な電流の立ち上がりに電圧が追従でき、時間と電圧の曲線にこぶが発生しない。このような、半導体素子は、高周波数での駆動が可能である。
On the other hand, even if n − -type
したがって、実施の形態では、短い時間の間、電流の増加時に時間と電圧の曲線にこぶ(極大値)が発生していない場合(ステップS3:No)、当該半導体装置を、記録された周波数より低い周波数で駆動可能、または、使用不可能と選別する(ステップS8)。ステップS4による記録された周波数がある場合、記録された周波数より低い周波数で駆動可能と選別して、ステップS4による記録された周波数がない場合、つまり、最も低い周波数でも短い時間の間、電流の増加時に時間と電圧の曲線に極大値が発生している場合は、使用不可能と選別する。ここで、選別基準は必ずしもこぶ(極大値)の有無で選別する必要はなく、こぶ(極大値)の大きさとしてもかまわない。 Therefore, in the embodiment, if there is no bump (maximum value) in the time-voltage curve when the current increases for a short time (step S3: No), the semiconductor device is operated at a higher frequency than the recorded frequency. It is selected as being drivable at a low frequency or unusable (step S8). If there is a recorded frequency in step S4, it is selected to be drivable at a frequency lower than the recorded frequency, and if there is no recorded frequency in step S4, that is, even the lowest frequency is for a short time. If there is a local maximum in the time-voltage curve during the increase, it is sorted out as unusable. Here, the selection criterion does not necessarily have to be the presence or absence of a hump (maximum value), and the size of the hump (maximum value) may be used.
また、短い時間の間、電流の増加時に時間と電圧の曲線にこぶ(極大値)が発生している場合(ステップS3:Yes)、設定された周波数で駆動可能と記録する(ステップS4)。例えば、本フローチャートをコンピュータが実行する場合、コンピュータの記録装置に記録する。次に、設定された周波数を増加する(ステップS5)。例えば、一定周波数を増加させてもよいし、炭化珪素半導体装置は使用されるスイッチング周波数毎に増加してもよい。例えば、1kHz,10kHz,20kHz、50kHz,100kHzのスイッチング周波数が炭化珪素半導体装置で用いられる場合、周波数を1kHz,10kHz,20kHz、50kHz,100kHzと順に増加させてもよい。 Also, if there is a hump (maximum value) in the time-voltage curve when the current increases for a short period of time (step S3: Yes), it is recorded that it can be driven at the set frequency (step S4). For example, when this flowchart is executed by a computer, it is recorded in a recording device of the computer. Next, the set frequency is increased (step S5). For example, the constant frequency may be increased, or the silicon carbide semiconductor device may be increased for each switching frequency used. For example, when switching frequencies of 1 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz and 100 kHz are used in the silicon carbide semiconductor device, the frequencies may be increased in order of 1 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz and 100 kHz.
次に、周波数が上限周波数に達したか否かを判断する(ステップS6)。上限周波数とは、炭化珪素半導体装置は使用される最大のスイッチング周波数である。上限周波数以上で試験を行う必要がないため、周波数が上限周波数に達した場合(ステップS6:Yes)、当該半導体装置を、上限周波数で駆動可能と選別する(ステップS7)。 Next, it is determined whether or not the frequency has reached the upper limit frequency (step S6). The upper limit frequency is the maximum switching frequency at which the silicon carbide semiconductor device is used. Since there is no need to test at the upper limit frequency or higher, if the frequency reaches the upper limit frequency (step S6: Yes), the semiconductor device is selected as drivable at the upper limit frequency (step S7).
一方、周波数が上限周波数に達していない場合(ステップS6:No)、ステップS2に戻り、増加させた周波数で試験を再度行う。また、n-型炭化珪素層71の厚さが厚いほど、時間と電圧の曲線にこぶが発生しやすいため、実施の形態の選別方法は、n-型炭化珪素層71の厚さが厚い炭化珪素半導体装置に効果的である。n-型炭化珪素層71の厚さは、耐圧600V、1200V、1700V、3300V、6500Vクラスである場合、それぞれ例えば5μm、10μm、15μm、30μm、60μm程度であり、実施の形態の選別方法は、n-型炭化珪素層71の厚さが30μm以上で耐圧が3300Vクラス以上の炭化珪素半導体装置に効果的である。
On the other hand, if the frequency has not reached the upper limit frequency (step S6: No), the process returns to step S2, and the test is performed again with the increased frequency. In addition, the thicker the n − -type
ここで、図6および図7は、ステップS2~ステップS5間の複数回の試験の結果を示す。図6は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードに複数の周波数の電流を印加した際の時間と、電流との関係を示すグラフである。図7は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の内蔵ダイオードに複数の周波数の電流を印加した際の時間と、電圧との関係を示すグラフである。 Here, FIGS. 6 and 7 show the results of multiple tests between steps S2 to S5. FIG. 6 is a graph showing the relationship between time and current when currents of a plurality of frequencies are applied to the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. FIG. 7 is a graph showing the relationship between time and voltage when currents of a plurality of frequencies are applied to the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment.
図6において、横軸は、時間を示し、単位はμsである。縦軸は、内蔵ダイオード16aの電流を示す。図7において、横軸は、時間を示し、単位はμsである。縦軸は、内蔵ダイオード16aの電圧を示す。 In FIG. 6, the horizontal axis indicates time, and the unit is μs. The vertical axis indicates the current of the built-in diode 16a. In FIG. 7, the horizontal axis indicates time, and the unit is μs. The vertical axis indicates the voltage of the built-in diode 16a.
まず、図6の(1)の低周波数、例えば、10kHzの電流を流す。この場合、図7の(1)に示すように、こぶが発生していない。次に、図6の(2)の周波数、例えば、20kHzの電流を流す。この場合、図7の(2)に示すように、こぶが発生していない。次に、図6の(3)の周波数、例えば、50kHzの電流を流す。この場合、図7の(3)に示すように、こぶが発生している。このため、ここでの炭化珪素半導体装置は、図6の(2)の周波数、例えば、20kHz以下の周波数で用いるようにする。また、図6および図7では、図6の(4)の周波数、例えば、100kHzの電流を流す場合も行っている。この場合、図7の(4)に示すように、こぶが図7の(3)の場合より大きくなっている。 First, a current of low frequency (1) in FIG. 6, for example, 10 kHz is passed. In this case, as shown in (1) of FIG. 7, no bump occurs. Next, a current of frequency (2) in FIG. 6, for example, 20 kHz is applied. In this case, as shown in (2) of FIG. 7, no bump is generated. Next, a current of frequency (3) in FIG. 6, for example, 50 kHz is applied. In this case, as shown in (3) of FIG. 7, a bump occurs. Therefore, the silicon carbide semiconductor device here is used at the frequency of (2) in FIG. 6, for example, at a frequency of 20 kHz or less. Moreover, in FIGS. 6 and 7, the frequency (4) in FIG. 6, for example, the case where the current of 100 kHz is applied. In this case, as shown in FIG. 7(4), the bump is larger than in FIG. 7(3).
これにより、本フローチャートによる一連の処理は終了する。本フローチャートを実行することにより、特定のスイッチング周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別でき、高周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別できる。 As a result, the series of processes according to this flowchart ends. By executing this flowchart, silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a specific switching frequency can be selected, and silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a high frequency can be selected.
次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図8~図13は、実施の形態にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment will be described. 8 to 13 are cross-sectional views showing states in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the embodiment.
まず、図8に示すように、炭化珪素からなるn+型出発基板(半導体ウエハ)31を用意する。n+型出発基板31は、例えば窒素(N)ドープの炭化珪素単結晶基板であってもよい。次に、n+型出発基板31のおもて面に、n+型出発基板31よりも低濃度に窒素がドープされたn-型炭化珪素層71をエピタキシャル成長させる。半導体装置20が耐圧3300Vクラスである場合、n-型炭化珪素層71の厚さt11は、例えば30μm程度であってもよい。
First, as shown in FIG. 8, an n + -type starting substrate (semiconductor wafer) 31 made of silicon carbide is prepared. The n + -
次に、図9に示すように、フォトリソグラフィおよび例えばAl等のp型不純物のイオン注入により、n-型炭化珪素層71の表面領域に、第2p+型領域61aおよびp+型領域81をそれぞれ選択的に形成する。このp+型領域81は、第1p+型領域62aの一部である。第2p+型領域61aとp+型領域81とは、例えば図2の第1方向Xに交互に繰り返し配置される。
Next, as shown in FIG. 9, a second p + -
互いに隣り合う第2p+型領域61aとp+型領域81との間の距離d2は、例えば1.5μm程度であってもよい。第2p+型領域61aおよびp+型領域81の深さd1および不純物濃度は、例えばそれぞれ0.5μm程度および5.0×1018/cm3程度であってもよい。そして、第2p+型領域61aおよびp+型領域81の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。
A distance d2 between the second p + -
次に、フォトリソグラフィおよび例えば窒素等のn型不純物のイオン注入により、n-型炭化珪素層71の表面領域にn型領域82を形成する。n型領域82は、例えば、第2p+型領域61aとp+型領域81との間に、これらの領域に接して形成される。n型領域82の深さd3および不純物濃度は、例えばそれぞれ0.4μm程度および1.0×1017/cm3程度であってもよい。
Next, an n-
このn型領域82は、n型電流拡散領域33aの一部である。n-型炭化珪素層71の、n型領域82、第2p+型領域61aおよびp+型領域81と、n+型出発基板31と、に挟まれた部分がn-型ドリフト領域32となる。そして、n型領域82の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。n型領域82と、第2p+型領域61aおよびp+型領域81と、の形成順序を入れ替えてもよい。
This n-
次に、図10に示すように、n-型炭化珪素層71上にさらに例えば窒素等のn型不純物をドープしたn-型炭化珪素層を例えば0.5μmの厚さt12でエピタキシャル成長させて、n-型炭化珪素層71の厚さを厚くする。
Next, as shown in FIG. 10, an n − -type silicon carbide layer doped with an n - type impurity such as nitrogen is epitaxially grown on the n − -type
次に、フォトリソグラフィおよびAl等のp型不純物のイオン注入により、n-型炭化珪素層71の厚さを増した部分71aに、p+型領域81に達する深さでp+型領域83を選択的に形成する。深さ方向Zに互いに隣接するp+型領域81,83同士が連結されて第1p+型領域62aが形成される。p+型領域83の幅および不純物濃度は、例えばp+型領域81と略同じである。そして、p+型領域83の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。
Next, by photolithography and ion implantation of a p-type impurity such as Al, a p + -
次に、フォトリソグラフィおよび例えば窒素などのn型不純物のイオン注入により、n-型炭化珪素層71の厚さを増した部分71aに、n型領域82に達する深さでn型領域84を選択的に形成する。n型領域84の不純物濃度は、例えばn型領域82と略同じである。深さ方向Zに互いに隣接するn型領域82,84同士が連結されてn型電流拡散領域33aが形成される。p+型領域83とn型領域84との形成順序を入れ替えてもよい。そして、n型領域84の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。
Next, an n-
次に、図11に示すように、n-型炭化珪素層71上に、例えばAl等のp型不純物をドープしたp型炭化珪素層72をエピタキシャル成長させる。p型炭化珪素層72の厚さt13および不純物濃度は、例えば、それぞれ1.3μm程度および4.0×1017/cm3程度であってもよい。これにより、n+型出発基板31上にエピタキシャル成長によりn-型炭化珪素層71およびp型炭化珪素層72を順に積層した半導体基板(半導体ウエハ)10が形成される。
Next, as shown in FIG. 11, a p-type
次に、フォトリソグラフィ、イオン注入およびイオン注入用マスクの除去を1組とする工程を異なる条件で繰り返し行い、p型炭化珪素層72に、メイン有効領域1aにおいて半導体装置20のn+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aをそれぞれ選択的に形成する。
Next, a set of steps of photolithography, ion implantation, and removal of the ion implantation mask is repeated under different conditions to form an n + -type source region of
n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aの形成順序を入れ替えてもよい。n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aと、n-型炭化珪素層71と、に挟まれた部分がp型ベース領域34aとなる。上述した各イオン注入において、例えばレジスト膜や酸化膜をイオン注入用マスクとして用いてもよい。
The formation order of the n + -
次に、イオン注入で形成した拡散領域(第1,2p+型領域62a,61a、n型電流拡散領域33a、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36a)について、不純物活性化のための例えば1700℃程度の温度で2分間程度の熱処理(活性化アニール)を行う。活性化アニールは、すべての拡散領域の形成後にまとめて1回行ってもよいし、イオン注入により拡散領域を形成するごとに行ってもよい。
Next, the diffusion regions formed by ion implantation (first and second p + -
次に、図12に示すように、フォトリソグラフィおよび例えばドライエッチングにより、n+型ソース領域35aおよびp型ベース領域34aを貫通するトレンチ37aを形成する。トレンチ37aは、例えば、n型電流拡散領域33aの内部の第2p+型領域61aに達する深さとする。トレンチ37aを形成するためのエッチング用マスクには、例えばレジスト膜や酸化膜を用いてもよい。そして、エッチング用マスクを除去する。
Next, as shown in FIG. 12,
次に、図13に示すように、半導体基板10の表面およびトレンチ37aの内壁に沿ってゲート絶縁膜38aを形成する。ゲート絶縁膜38aは、例えば、酸素(O2)雰囲気中において1000℃程度の温度で形成した熱酸化膜であってもよいし、高温酸化(HTO:High Temperature Oxide)による堆積膜であってもよい。次に、トレンチ37aの内部において、ゲート絶縁膜38a上に、ゲート電極39aとして例えばリンドープのポリシリコン層を形成する。
Next, as shown in FIG. 13, a
次に、半導体基板10のおもて面全面に層間絶縁膜40を形成する。層間絶縁膜40は、例えば、PSG(Phospho Silicate Glass)であってもよい。層間絶縁膜40の厚さは、例えば1μm程度であってもよい。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより層間絶縁膜40およびゲート絶縁膜38aを選択的に除去して、第1コンタクトホール40aを形成する。
Next, an
このとき、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aを露出する第1コンタクトホール40aを形成する。次に、熱処理により層間絶縁膜40を平坦化(リフロー)する。
At this time, a
次に、例えばスパッタリングにより、半導体基板10のおもて面の全面に、第1TiN膜42aを形成する。第1TiN膜42aは、層間絶縁膜40の表面全面を覆うとともに、半導体基板10のおもて面の、第1コンタクトホール40aに露出された部分(n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36a)を覆う。
Next, a
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第1TiN膜42aの第1コンタクトホール40aの内部において半導体基板10を覆う部分を除去して、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aを再度露出させる。これによって、第1TiN膜42aを、バリアメタル46aとして層間絶縁膜40の表面全面に残す。
Next, by photolithography and etching, the portion of the
次に、例えばスパッタリングにより、第1コンタクトホール40aに露出される半導体部(半導体基板10のおもて面)上にNi膜(不図示)を形成する。このとき、第1TiN膜42a上にもNi膜が形成される。次に、例えば970℃程度での熱処理により、Ni膜の、半導体部との接触箇所をシリサイド化して、半導体部にオーミック接触するNiSi膜41aを形成する。
Next, a Ni film (not shown) is formed on the semiconductor portion (the front surface of the semiconductor substrate 10) exposed in the
このニッケルのシリサイド化のための熱処理時、層間絶縁膜40とNi膜との間に第1TiN膜42aが配置されていることで、Ni膜中のニッケル原子の層間絶縁膜40内への拡散を防止することができる。Ni膜の、層間絶縁膜40上の部分は、半導体部に接触していないため、シリサイド化されない。その後、Ni膜の、層間絶縁膜40上の部分を除去し、層間絶縁膜40を露出させる。
During the heat treatment for silicidation of nickel, the
次に、半導体基板10の裏面に、例えばNi膜を形成する。次に、例えば970℃程度での熱処理により、Ni膜をシリサイド化し、ドレイン電極51として、半導体部(半導体基板10の裏面)にオーミック接触するNiSi膜を形成する。ドレイン電極51となるNiSi膜を形成する際のシリサイド化のための熱処理は、半導体基板10のおもて面のNiSi膜41aを形成するための熱処理と同時に行ってもよい。
Next, a Ni film, for example, is formed on the back surface of the
次に、スパッタリングにより、半導体基板10のおもて面上に、バリアメタル46aとなる第1Ti膜43a、第2TiN膜44aおよび第2Ti膜45aと、ソースパッド21aとなるAl膜(またはAl合金膜)と、を順に積層する。Al膜の厚さは、例えば5μm以下程度である。
Next, by sputtering, on the front surface of the
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、半導体基板10のおもて面上に堆積した金属膜をパターニングして、バリアメタル46aとなる部分を残す。
Next, by photolithography and etching, the metal film deposited on the front surface of the
次に、例えばスパッタリングにより、ドレイン電極51の表面に、例えばTi膜、Ni膜および金(Au)膜を順に積層してドレインパッド(不図示)を形成する。
Next, for example, a Ti film, a Ni film and a gold (Au) film are sequentially laminated on the surface of the
次に、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により、半導体基板10のおもて面をポリイミド膜で保護する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより当該ポリイミド膜を選択的に除去して、電極パッドをそれぞれ覆う第1保護膜49aを形成するとともに、これら第1保護膜49aを開口する。
Next, the front surface of the
次に、一般的なめっき前処理の後、一般的なめっき処理により、ソースパッド21aの、第1保護膜49aの開口部に露出する部分にめっき膜47aを形成する。このとき、第1保護膜49aは、めっき膜47aの濡れ広がりを抑制するマスクとして機能する。めっき膜47aの厚さは、例えば5μm程度であってもよい。
Next, after a general plating pretreatment, a
次に、例えばCVD法により、めっき膜47aと第1保護膜49aとの各境界を覆う第2保護膜50aとなるポリイミド膜を形成する。次に、めっき膜47a上に、それぞれはんだ層(不図示)により端子ピン48aを接合する。このとき、第2保護膜50aは、はんだ層の濡れ広がりを抑制するマスクとして機能する。
Next, a polyimide film serving as a second
その後、半導体基板10をダイシング(切断)して個々のチップ状に個片化することで、図2に示す半導体装置20が完成する。
Thereafter, the
以上、説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法によれば、炭化珪素半導体装置に、所定の周波数の電流を印加し、短い時間の間、電流の増加時に時間と電圧の曲線にこぶ(極大値)が発生しているか否かで炭化珪素半導体装置を選別している。これにより、特定のスイッチング周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別でき、高周波数で駆動可能な炭化珪素半導体装置を選別できる。 As described above, according to the silicon carbide semiconductor device sorting method according to the embodiment, a current of a predetermined frequency is applied to the silicon carbide semiconductor device, and for a short time, when the current increases, the time and voltage Silicon carbide semiconductor devices are selected based on whether or not a hump (maximum value) occurs in the curve of . Thereby, silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a specific switching frequency can be selected, and silicon carbide semiconductor devices that can be driven at a high frequency can be selected.
実施の形態では、MOSFETの内蔵ダイオードの検査により、n型エピタキシャル層の品質を検査している。つまり、高周波数で、電流増加時に電圧と時間の関係にこぶが発生しないと、n型エピタキシャル層に結晶欠陥が少ないと判断している。これは、MOSFET以外の内蔵ダイオードを有する炭化珪素半導体装置に適用可能である。また、ダイオードにも適用可能である。 In the embodiment, the quality of the n-type epitaxial layer is inspected by inspecting the built-in diode of the MOSFET. In other words, it is judged that there are few crystal defects in the n-type epitaxial layer if no bump occurs in the relationship between voltage and time when the current increases at a high frequency. This is applicable to silicon carbide semiconductor devices having built-in diodes other than MOSFETs. It is also applicable to diodes.
以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 As described above, the present invention can be modified in various ways without departing from the gist of the present invention. Further, in each of the above-described embodiments, the case where silicon carbide is used as a wide bandgap semiconductor is described as an example, but it is also applicable to wide bandgap semiconductors other than silicon carbide, such as gallium nitride (GaN). is. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. It holds.
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の選別方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the method for sorting silicon carbide semiconductor devices according to the present invention is useful for high withstand voltage semiconductor devices used in power converters, power supply devices for various industrial machines, and the like.
10 半導体基板
16a メイン半導体素子の内蔵ダイオード
20 半導体装置
21a ソースパッド
31 n+型出発基板
32 n-型ドリフト領域
33a n型電流拡散領域
34a p型ベース領域
35a n+型ソース領域
36a p++型コンタクト領域
37a トレンチ
38a ゲート絶縁膜
39a ゲート電極
40 層間絶縁膜
40a コンタクトホール
41a NiSi膜
42a 第1TiN膜
43a 第1Ti膜
44a 第2TiN膜
45a 第2Ti膜
46a バリアメタル
47a めっき膜
48a 端子ピン
49a 第1保護膜
50a 第2保護膜
51 ドレイン電極
61a、62a p+型領域
71 n-型炭化珪素層
72 p型炭化珪素層
X 半導体チップのおもて面に平行な方向(第1方向)
Y 半導体チップのおもて面に平行でかつ第1方向と直交する方向(第2方向)
Z 深さ方向
101 n+型炭化珪素基板
102 n型炭化珪素エピタキシャル層
103 p+型ベース領域
104 p型ベース層
105 n+型ソース領域
106 p+型コンタクト領域
107 n型ウェル領域
108 ゲート絶縁膜
109 ゲート電極
110 ソース電極
111 ドレイン電極
10 semiconductor substrate 16a built-in diode of
Y direction parallel to the front surface of the semiconductor chip and orthogonal to the first direction (second direction)
Z depth direction 101 n + type silicon carbide substrate 102 n type silicon carbide epitaxial layer 103 p + type base region 104 p type base layer 105 n + type source region 106 p + type contact region 107 n
Claims (5)
前記炭化珪素半導体装置の前記内蔵ダイオードに所定の周波数の順方向電流を流す第1工程と、
前記所定の周波数の一周期中に前記順方向電流がオン状態である時間より短い時間の間、前記順方向電流の増加時に時間と電圧の曲線に極大値が発生している前記炭化珪素半導体装置を選別する第2工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の選別方法。 A method for selecting a silicon carbide semiconductor device having a built-in diode,
a first step of applying a forward current of a predetermined frequency to the built-in diode of the silicon carbide semiconductor device;
The silicon carbide semiconductor device in which a maximum value occurs in a time-voltage curve when the forward current increases for a time shorter than the ON state time of the forward current in one cycle of the predetermined frequency. A second step of selecting
A method for selecting a silicon carbide semiconductor device, comprising:
前記増加させた周波数の順方向電流を前記炭化珪素半導体装置に流し、前記短い時間の間、前記順方向電流の増加時に時間と電圧の曲線に極大値が発生している前記炭化珪素半導体装置を選別する第4工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の選別方法。 a third step of increasing the predetermined frequency;
The forward current of the increased frequency is passed through the silicon carbide semiconductor device, and the silicon carbide semiconductor device in which a maximum value occurs in a time-voltage curve during the short period of time when the forward current increases. A fourth step of sorting;
2. The method for sorting silicon carbide semiconductor devices according to claim 1, further comprising:
炭化珪素半導体基板のおもて面に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の、前記炭化珪素半導体基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の表面層に選択的に設けられた、前記炭化珪素半導体基板よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、
前記第2半導体層に接触するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の前記第2半導体層と接触する面と反対側の表面に設けられたゲート電極と、
前記第1半導体領域と前記第2半導体層の表面に設けられた第1電極と、
前記炭化珪素半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備え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の選別方法。 The silicon carbide semiconductor device is
a first conductivity type first semiconductor layer provided on a front surface of a silicon carbide semiconductor substrate;
a second conductivity type second semiconductor layer provided on the side opposite to the silicon carbide semiconductor substrate side of the first semiconductor layer;
a first conductivity type first semiconductor region selectively provided in a surface layer of the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the silicon carbide semiconductor substrate;
a gate insulating film in contact with the second semiconductor layer;
a gate electrode provided on the surface of the gate insulating film opposite to the surface in contact with the second semiconductor layer;
a first electrode provided on the surface of the first semiconductor region and the second semiconductor layer;
a second electrode provided on the back surface of the silicon carbide semiconductor substrate;
3. The method for sorting silicon carbide semiconductor devices according to claim 1, further comprising:
前記第2半導体層を貫通して、前記第1半導体層に達するトレンチをさらに備え、
前記ゲート電極は、前記トレンチの内部に前記ゲート絶縁膜を介して設けられていることを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置の選別方法。 The silicon carbide semiconductor device is
further comprising a trench penetrating the second semiconductor layer and reaching the first semiconductor layer;
4. The method of selecting a silicon carbide semiconductor device according to claim 3, wherein said gate electrode is provided inside said trench via said gate insulating film.
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