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JPWO2015033463A1 - 半導体装置およびその製造方法、電力変換装置、３相モータシステム、自動車、ならびに鉄道車両 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法、電力変換装置、３相モータシステム、自動車、ならびに鉄道車両 Download PDF

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Abstract

炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置において、耐圧変動を抑え、かつ、終端構造の低面積化を実現することのできる技術を提供する。上記課題を解決するために、本発明では、炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置において、接合終端部に、ｐ型の第１領域と、第１領域よりも外周側に設けられたｐ型の第２領域と、を設け、第１領域には、第１濃度勾配を設け、第２領域には、第１濃度勾配よりも大きい第２濃度勾配を設ける。

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法、電力変換装置、３相モータシステム、自動車、ならびに鉄道車両に関する。
本技術分野の背景技術として、特許第５１２２８１０号公報（特許文献１）がある。この公報には、炭化ケイ素デバイスのためのエッジ終端構造が記載されており、このエッジ終端構造は、炭化ケイ素ベースの半導体接合から間隔をおいて配置された、炭化ケイ素層中の複数の同心円のフローティングガードリングを有する。
また、第７３回応用物理学会学術講演会講演予稿集（非特許文献１）には、２ゾーンＪＴＥ（Junction Termination Extension：接合終端部、接合終端延長部、エッチ終端部）と空間変調型ＪＴＥとを組み合わせたＪＴＥ構造が記載されている。
特許第５１２２８１０号公報
第７３回応用物理学会学術講演会講演予稿集第１５−２８２頁
炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置では、炭化ケイ素と、その表面を保護するために形成される絶縁膜との界面に正電荷が存在し、この正電荷が、高電界の印加によって半導体装置の耐圧変動を引き起こす可能性がある。しかし、前述の非特許文献１に記載されたＪＴＥ構造を採用することにより、炭化ケイ素と絶縁膜との界面に存在する正電荷の量が１×１０１２〜１×１０１３ｃｍ−２程度存在しても、半導体装置の耐圧変動を抑えることができる。
しかし、前述の非特許文献１に記載されたＪＴＥ構造では、２５０μｍ以上の幅のＪＴＥが必要である。このため、前述の非特許文献１に記載されたＪＴＥ構造を採用した半導体装置は、チップサイズの割にアクティブ領域の面積が取れない、またはアクティブ領域の面積を取ればチップサイズが大きくなり高コストになる。ひいては、当該半導体装置を用いた電力変換装置、および当該電力変換装置を用いた３相モータシステムの小型化に不利となる、または低コスト化が困難となる。さらには、当該３相モータシステムを用いた自動車および鉄道車両の軽量化に不利となる、または低コスト化が困難となる。
そこで、本発明は、炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置において、耐圧変動を抑え、かつ、終端構造の低面積化を実現することのできる技術を提供する。
上記課題を解決するために、本発明では、炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置において、接合終端部に、ｐ型の第１領域と、第１領域よりも外周側に設けられたｐ型の第２領域と、を設け、第１領域には、第１濃度勾配を設け、第２領域には、第１濃度勾配よりも大きい第２濃度勾配を設ける。
本発明によれば、炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置において、耐圧変動を抑え、かつ、終端構造の低面積化を実現することができる。
上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
炭化ケイ素ｐｎダイオードの周囲に、一定の濃度勾配を有するＪＴＥを設けた半導体装置を示す要部断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面におけるｐ型不純物（アルミニウム（Ａｌ））の濃度分布を示す模式図である。 炭化ケイ素ｐｎダイオードの周囲に、一定の濃度勾配を有するＪＴＥを設けた半導体装置の耐圧と、ＪＴＥの高濃度領域へイオン注入されるｐ型不純物の注入量との関係を示すグラフ図である。 ＪＴＥの濃度勾配の定義を示す説明図である。 実施例１における半導体装置の構成の一例を示す要部平面図である。 実施例１における半導体装置の構成の一例を示す要部断面図（図５のＢ−Ｂ線に沿った要部断面図）である。 図６のＣ−Ｃ線に沿った断面におけるｐ型不純物（アルミニウム（Ａｌ））の濃度分布を示す模式図である。 実施例１における半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。 図８に続く、半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。 図９に続く、半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。 図１０に続く、半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。 図１１に続く、半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。 図１２に続く、半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。 実施例１における半導体装置の製造方法を説明する工程図である。 実施例２における半導体装置の構成の一例を示す要部断面図である。 実施例３における電力変換装置（インバータ）の一例を示す回路図である。 （ａ）は、実施例４における電気自動車の構成の一例を示す概略図であり、（ｂ）は、昇圧コンバータの一例を示す回路図である。 実施例５における鉄道車両に備えられるコンバータおよびインバータの一例を示す回路図である。
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するもの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。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明に先立って本発明者らによって検討されたＪＴＥ構造について説明する。
半導体に炭化ケイ素を用いた半導体装置は、半導体にケイ素を用いた半導体装置に比べて、電力変換装置の損失を低減することができる。そのため、炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置を用いた電力変換装置を３相モータシステムに使用することにより、３相モータシステムの損失を低減することができる。また、当該３相モータシステムの損失に起因した発熱を放熱するための冷却系を簡素化できることから、当該３相モータシステムを備える自動車および鉄道車両を軽量化することができる。
しかし、前述の特許文献１に記載されているように、炭化ケイ素デバイスを有する半導体装置では、炭化ケイ素と、その表面を保護するために形成される絶縁膜との界面に１×１０１２〜２×１０１２ｃｍ−２程度の正電荷が存在し、この正電荷が、高電界の印加により半導体装置の耐圧変動を引き起こす可能性がある。
一方、前述の非特許文献１には、炭化ケイ素ＰＩＮ（P-Intrinsic-N）ダイオードの周囲に、低濃度領域と高濃度領域とから構成されるＪＴＥを形成し、高濃度領域の幅と間隔との比をチップ端部に近づくに従って順に小さくする技術が提案されている。ＪＴＥの目的は、炭化ケイ素デバイスの端部における電界集中を低減すること、および空乏領域の不均一な広がりを抑えて、半導体装置の耐圧変動を低減することである。
そこで、本発明者らは、炭化ケイ素ｐｎダイオードを有する半導体装置において、低濃度領域と高濃度領域とから構成され、一定の濃度勾配を有するＪＴＥの検討を行った。
図１は、炭化ケイ素ｐｎダイオードの周囲に、一定の濃度勾配を有するＪＴＥを設けた半導体装置を示す要部断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面におけるｐ型不純物（アルミニウム（Ａｌ））の濃度分布を示す模式図である。図３は、炭化ケイ素ｐｎダイオードの周囲に、一定の濃度勾配を有するＪＴＥを設けた半導体装置の耐圧と、ＪＴＥの高濃度領域へイオン注入されるｐ型不純物の注入量との関係を示すグラフ図である。半導体装置は、炭化ケイ素ｐｎダイオードと、その周囲に形成されたＪＴＥとから構成され、１つの半導体チップに形成されている。
図１に示すように、ｎ型の炭化ケイ素からなる基板２１の表面に、ｎ型のドリフト層２２が形成されている。ドリフト層２２の上面の中央領域にはｐ型領域２３が形成され、ｐ型領域２３を囲むようにドリフト層２２の上面にＪＴＥ２６が形成されている。さらに、ｐ型領域２３には、アノード電極２５が電気的に接続され、基板２１の裏面には、カソード電極２４が電気的に接続されて、炭化ケイ素ｐｎダイオードが構成されている。
ＪＴＥ２６は、ｐ型領域２３と接して、ｐ型領域２３の周囲に形成されたｐ型領域３０と、互いに幅および間隔が異なる複数のｐ型の高濃度領域２７と、隣り合う高濃度領域２７の間に形成された、互いに幅および間隔が異なる複数のｐ型の低濃度領域２８と、から構成される。ｐ型領域３０、高濃度領域２７、および低濃度領域２８は、ドリフト層２２にｐ型不純物、例えばアルミニウムをイオン注入法により導入することにより形成される。
図２に示すように、高濃度領域２７の幅と間隔との比はＪＴＥ２６の外側（チップ端部）に近づくに従って順に小さくなっており、ＪＴＥ２６は一定の濃度勾配Ｓを有している。このように、ＪＴＥ２６に一定の濃度勾配Ｓを有するＪＴＥ構造を採用することにより、例えば図３に示すように、高濃度領域２７へイオン注入されるｐ型不純物の注入量が８×１０１２ｃｍ−２ｃｍ程度変動しても、半導体装置の耐圧変動を抑えることができる。
従って、ＪＴＥ２６に一定の濃度勾配Ｓを有するＪＴＥ構造を採用すれば、炭化ケイ素と絶縁膜との界面に存在する正電荷の量が１×１０１２（＝（１＋０）×１０１２）〜１×１０１３（＝（２＋８）×１０１２）ｃｍ−２程度存在しても、半導体装置の耐圧変動を抑えることができる。
しかし、ＪＴＥ２６が一定の濃度勾配Ｓを有する場合には、ｐ型領域３０を除くＪＴＥ２６の幅Ｌを２５０μｍ以上にする必要があるため、チップサイズの割にアクティブ領域の面積が取れない、またはアクティブ領域の面積を取ればチップサイズが大きくなり高コストになることが本発明者らによって明らかとなった。
以下に、ＪＴＥ２６が２５０μｍ以上の幅Ｌを必要とする理由について、図４および前述の図２を用いて説明する。図４は、ＪＴＥの濃度勾配の定義を示す説明図である。
図４に示すように、ＪＴＥ２６を構成する高濃度領域２７および低濃度領域２８のそれぞれの濃度をＮＨおよびＮＬとし、両領域の幅の和を一定のピッチＰとする。この場合、ｉ番目（ｉは正の整数）の高濃度領域２７の幅をａｉとすると、ｉ番目の高濃度領域２７と低濃度領域２８の平面濃度Ｎｉは、
Ｎｉ＝［ＮＨａｉ＋ＮＬ（Ｐ−ａｉ）］／Ｐ
で表される。
また、（ｉ＋１）番目の高濃度領域２７と低濃度領域２８の平面濃度Ｎｉ＋１は、
Ｎｉ＋１＝［ＮＨａｉ＋１＋ＮＬ（Ｐ−ａｉ＋１）］／Ｐ
で表される。
従って、水平方向の濃度勾配Ｓは、
Ｓ＝（Ｎｉ−Ｎｉ＋１）／Ｐ
＝（ａｉ−ａｉ＋１）（ＮＨ−ＮＬ）／Ｐ２
と求められる。
高濃度領域２７の幅と低濃度領域２８の幅との和が一定のピッチから構成されていない場合でも、一定の間隔（例えば１０μｍ）ごとに平均濃度を求めたうえで、水平方向の濃度勾配Ｓを求めることができる。
または、濃度勾配Ｓの概略値は、ＪＴＥ２６の幅Ｌを用いて求めることもできる。一例として、高濃度領域２７の濃度ＮＨが６×１０１７ｃｍ−３、低濃度領域２８の濃度ＮＬが２×１０１７ｃｍ−３の場合について説明する。ｐ型領域３０を除くＪＴＥ２６の幅Ｌが６００μｍの場合、濃度勾配Ｓは０．７×１０１５ｃｍ−３／μｍとなる。一方、幅Ｌが２５０μｍ、２００μｍ、および１３０μｍの場合、濃度勾配Ｓはそれぞれ１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ、２．０×１０１５ｃｍ−３／μｍ、および３．１×１０１５ｃｍ−３／μｍとなる。
そこで、ｐ型領域３０の幅を２０μｍで固定し、幅Ｌが６００μｍ、２５０μｍ、２００μｍ、および１３０μｍのＪＴＥ２６を作製して、種々の条件で半導体装置の耐圧評価を行った。その結果、幅Ｌが６００μｍおよび２５０μｍのＪＴＥ２６を有する半導体装置では、アバランシェ降伏に伴う発光は観察されなかった。これに対して、幅Ｌが２００μｍのＪＴＥ２６を有する半導体装置では、ＪＴＥ２６の最外周近傍または最内周近傍でアバランシェ降伏に伴う発光が観察された。また、幅Ｌが１３０μｍのＪＴＥ２６を有する半導体装置では、ＪＴＥ２６内の種々の場所でアバランシェ降伏に伴う発光が観察された。
この結果から、アバランシェ降伏を回避するためには、濃度勾配Ｓを１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下とする必要があり、そのためには、ＪＴＥ２６の幅Ｌを２５０μｍ以上とする必要があることが分かる。従って、アバランシェ降伏を回避するために、炭化ケイ素ｐｎダイオードの周囲に、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下の一定の濃度勾配Ｓを有するＪＴＥ２６を設けても、ＪＴＥ２６の幅Ｌに２５０μｍ以上が必要とされるので、チップサイズの割にアクティブ領域の面積が取れない、またはアクティブ領域の面積を取ればチップサイズが大きくなり高コストになる。
特に、半導体に炭化ケイ素を用いる半導体装置において製造歩留りの低下を回避するためには、半導体チップの大きさを２〜３ｍｍ角以下にすることが望ましい。そのため、ＪＴＥの面積を縮小できないことは、半導体チップの実効面積（半導体チップの面積からＪＴＥの面積を除いた面積）の低下に直結する課題である。
実施例１における炭化ケイ素ｐｎダイオードを有する半導体装置を図５および図６を用いて説明する。図５は、実施例１における半導体装置の構成の一例を示す要部平面図である。図６は、実施例１における半導体装置の構成の一例を示す要部断面図（図５のＢ−Ｂ線に沿った要部断面図）である。
図５および図６に示すように、ｎ型の炭化ケイ素からなる基板１１の表面に、ｎ型の炭化ケイ素からなるエピタキシャル層１０が形成されており、このエピタキシャル層１０はｎ型のドリフト層１２として利用することができる。エピタキシャル層１０の上面のアクティブ領域となる中央領域にはｐ型領域１３が形成され、ｐ型領域１３を囲むようにエピタキシャル層１０の上面にＪＴＥ１６が形成されている。ｐ型領域１３には、アノード電極１５が電気的に接続され、基板１１の裏面には、カソード電極１４が電気的に接続されて、炭化ケイ素ｐｎダイオードが構成されている。半導体装置は、その一辺の長さが、例えば３ｍｍ×３ｍｍ程度の四角形状である。
ＪＴＥ１６は、ｐ型領域１３と接して、ｐ型領域１３の周囲に形成されたｐ型領域２０と、複数のｐ型の高濃度領域１７と、複数のｐ型の中濃度領域１９と、複数のｐ型の低濃度領域１８と、から構成される。そして、ＪＴＥ１６の内周側の領域に、ｐ型領域２０に続いて高濃度領域１７と中濃度領域１９とが交互に形成され、ＪＴＥ１６の外周側の領域に、低濃度領域１８が形成され、ＪＴＥ１６の内周側の領域と外周側の領域との間の中間領域に、高濃度領域１７と低濃度領域１８とが交互に形成されている。ｐ型領域２０、高濃度領域１７、中濃度領域１９、および低濃度領域１８は、エピタキシャル層１０にｐ型不純物、例えばアルミニウムをイオン注入法により導入することにより形成される。
ｐ型領域２０は、幅が、例えば２０μｍ、エピタキシャル層１０の上面からの深さが、例えば０．８μｍ、アルミニウム濃度が、例えば６×１０１７ｃｍ−３である。また、高濃度領域１７のエピタキシャル層１０は、上面からの深さが、例えば０．８μｍ、アルミニウム濃度が、例えば６×１０１７ｃｍ−３である。中濃度領域１９のエピタキシャル層１０は、上面からの深さが、例えば０．８μｍ、アルミニウム濃度が、例えば４×１０１７ｃｍ−３である。低濃度領域１８のエピタキシャル層１０は、上面からの深さが、例えば０．８μｍ、アルミニウム濃度が、例えば２×１０１７ｃｍ−３である。
さらに、エピタキシャル層１０の上面を保護するために、絶縁膜ＩＦが形成されており、この絶縁膜ＩＦには、アノード電極１５を露出させるための開口部が設けられている。
次に、ＪＴＥ１６の構造について、図７を用いて詳細に説明する。図７は、図６のＣ−Ｃ線に沿った断面におけるｐ型不純物（アルミニウム（Ａｌ））の濃度分布を示す模式図である。
図７に示すように、ｐ型領域２０のｐ型領域１３と反対の端部から、ＪＴＥ１６の外周（チップ端部）に向かって、濃度が徐々に低くなる複数の領域が形成されている。図７では、ＪＴＥ１６の外周に向かって、高濃度領域１７および中濃度領域１９から構成される第１の領域ＡＲ１、高濃度領域１７および低濃度領域１８から構成される第２の領域ＡＲ２、および低濃度領域１８から構成される第３の領域ＡＲ３が設けられている。
そして、耐圧変動によってアバランシェ降伏が起こりやすい、ＪＴＥ１６の内周側に位置する第１の領域ＡＲ１の第１の濃度勾配Ｓ１およびＪＴＥ１６の外周側に位置する第３の領域ＡＲ３の第３の濃度勾配Ｓ３を１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下としている。すなわち、第１の領域ＡＲ１の第１の濃度勾配Ｓ１は１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下、第２の領域ＡＲ２の第２の濃度勾配Ｓ２は１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍより大きく６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下、および第３の領域ＡＲ３の第３の濃度勾配Ｓ３は１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下に設定している。
第１の領域ＡＲ１の第１の濃度勾配Ｓ１を１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下とすることにより、エピタキシャル層１０と絶縁膜ＩＦとの界面に存在する正電荷の量が１×１０１３ｃｍ−２程度の場合に電界強度がピークとなるＪＴＥ１６の内周側において、アバランシェ降伏を回避することができる。
また、第３の領域ＡＲ３の第３の濃度勾配Ｓ３を１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下とすることにより、エピタキシャル層１０と絶縁膜ＩＦとの界面に存在する正電荷の量が０〜１×１０１２ｃｍ−２程度の場合に電界強度がピークとなるＪＴＥ１６の外周側において、アバランシェ降伏を回避することができる。なお、エピタキシャル層１０と絶縁膜ＩＦとの界面に存在する正電荷の量が２×１０１２ｃｍ−１２未満とならない場合は、ＪＴＥ１６の外周側におけるアバランシェ降伏は起きにくいため、第３の濃度勾配Ｓ３は不要となる。
また、第２の領域ＡＲ２の第２の濃度勾配Ｓ２を１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍより大きく６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下とすることにより、ＪＴＥ１６におけるアバランシェ降伏を回避したまま、ｐ型領域２０を除くＪＴＥ１６の幅Ｌを短くすることができる。これは、第１の領域ＡＲ１の幅Ｌ１、第２の領域ＡＲ２の幅Ｌ２、および第３の領域ＡＲ３の幅Ｌ３を、それぞれ独立して設定できるからである。
すなわち、第１の領域ＡＲ１では、アバランシェ降伏を回避できる第１の濃度勾配Ｓ１（１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下）を得るために必要な幅Ｌ１が設定される。同様に、第３の領域ＡＲ３では、アバランシェ降伏を回避できる第３の濃度勾配Ｓ３（１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下）を得るために必要な幅Ｌ３が設定される。しかし、第２の領域ＡＲ２では、第１の領域ＡＲ１および第３の領域ＡＲ３よりもアバランシェ降伏が起きにくいことから、第２の濃度勾配Ｓ２（１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍより大きく６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下）を第１の濃度勾配Ｓ１および第３の濃度勾配Ｓ３よりも大きくすることができる。
第１の領域ＡＲ１において１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍの第１の濃度勾配Ｓ１を得る場合は、高濃度領域１７および中濃度領域１９のそれぞれの幅を調整して、１２５μｍの幅Ｌ１を設定することができる。また、第２の領域ＡＲ２において６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍの第２の濃度勾配Ｓ２を得る場合は、高濃度領域１７および低濃度領域１８のそれぞれの幅を調整して、３２μｍの幅Ｌ２を設定することができる。また、第３の領域ＡＲ３で０ｃｍ−３／μｍの第３の濃度勾配Ｓ３を得る場合は、低濃度領域１８の幅を調整して、例えば２０μｍの幅Ｌ３を設定することができる。これにより、ｐ型領域２０を除くＪＴＥ１６の幅Ｌを１７７μｍとすることができる。
このように、アバランシェ降伏が起きやすいＪＴＥ１６の内周側の領域（第１の領域ＡＲ１）および必要に応じて外周側の領域（第３の領域ＡＲ３）の濃度勾配を１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下とする。一方、アバランシェ降伏が起きにくいＪＴＥ１６の中間領域（第２の領域ＡＲ２）の濃度勾配を１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍより大きく６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下として、中間領域の幅を縮小する。これにより、エピタキシャル層１０と絶縁膜ＩＦとの界面に存在する正電荷に起因する耐圧変動が抑えられて、アバランシェ降伏を回避できる。さらに、ＪＴＥ１６の面積を小さくできることから、チップサイズの割にアクティブ領域の面積を大きく取れる、またはチップサイズを小さくすることで低コスト化が可能になる。
また、前述したように、ＪＴＥ１６は、例えば６×１０１７ｃｍ−３を有する高濃度領域１７、例えば４×１０１７ｃｍ−３を有する中濃度領域１９、および例えば２×１０１７ｃｍ−３を有する低濃度領域１８から構成されている。そして、第１の領域ＡＲ１では、中濃度領域１９は高濃度領域１７に挟まれ、第２の領域ＡＲでは、低濃度領域１８は高濃度領域１７に挟まれている。
その詳細は後述する半導体装置の製造方法において説明するが、このような構成とすることにより、高濃度領域１７、中濃度領域１９、および低濃度領域１８を３回ではなく、２回のイオン注入により形成することができるので、半導体装置の低コスト化が可能となる。
次に、実施例１における炭化ケイ素ｐｎダイオードを有する半導体装置の製造方法を図８〜図１４を用いて工程順に説明する。図８〜図１３は、実施例１における半導体装置の要部断面図である。図１４は、実施例１における半導体装置の製造方法を説明する工程図である。
＜工程Ｐ１＞
まず、図８に示すように、炭化ケイ素を主に含むｎ型の基板１１を準備する。続いて、基板１１の表面に炭化ケイ素からなるエピタキシャル層１０をエピタキシャル成長法により形成する。エピタキシャル層１０はドリフト層１２として利用することができる。基板１１およびエピタキシャル層１０はｎ型不純物（例えば窒素）を含んでおり、基板１１の不純物濃度はエピタキシャル層１０の不純物濃度よりも高い。
基板１１の不純物濃度は、例えば１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３程度である。また、基板１１の表面は（０００１）面、（０００−１）面、または（１１−２）面などを用いることができるが、いずれを選択してもよい。
エピタキシャル層１０の仕様は、後の工程を経て形成される炭化ケイ素ｐｎダイオードに設定される耐圧によって異なるが、エピタキシャル層１０に含まれる不純物は基板１１と同じ導電型であり、その不純物濃度は、例えば１×１０１５〜４×１０１６ｃｍ−３程度、その厚さは、例えば３〜８０μｍ程度である。
＜工程Ｐ２＞
次に、図９に示すように、エピタキシャル層１０の上面にマスク材料層ＲＰ１を形成し、マスク材料層ＲＰ１から露出するエピタキシャル層１０の上面にｐ型不純物（例えばアルミニウム）をイオン注入することにより、エピタキシャル層１０の上面にｐ型の低濃度領域１８を形成する。低濃度領域１８のｐ型不純物（例えばアルミニウム）の濃度は、例えば２×１０１７ｃｍ−３、注入深さは、例えば０．８μｍである。
＜工程Ｐ３＞
次に、図１０に示すように、マスク材料層ＲＰ１を除去した後、エピタキシャル層１０の上面にマスク材料層ＲＰ２を形成し、マスク材料層ＲＰ２から露出するエピタキシャル層１０の上面にｐ型不純物（例えばアルミニウム）をイオン注入することにより、エピタキシャル層１０の上面にｐ型領域２０、高濃度領域１７、および中濃度領域１９を形成する。この際、ｐ型不純物（例えばアルミニウム）のイオン注入は、仮にイオン注入を行っていない領域に行ったとしたら、ｐ型不純物（例えばアルミニウム）の濃度が、例えば４×１０１７ｃｍ−３、注入深さが、例えば０．８μｍとなる条件で行う。
ここで、ｐ型領域２０および高濃度領域１７は、低濃度領域１８が形成されている領域にｐ型不純物をイオン注入することにより形成される。すなわち、形成済みの低濃度領域１８のｐ型不純物（例えばアルミニウム）の濃度２×１０１７ｃｍ−３、注入深さ０．８μｍと重畳して、ｐ型領域２０および高濃度領域１７のｐ型不純物（例えばアルミニウム）の濃度は、例えば６×１０１７ｃｍ−３、注入深さは、例えば０．８μｍとなる。一方、中濃度領域１９は、低濃度領域１８が形成されていない領域にｐ型不純物をイオン注入することにより形成される。すなわち、中濃度領域１９のｐ型不純物（例えばアルミニウム）の濃度は、例えば４×１０１７ｃｍ−３、注入深さは、例えば０．８μｍとなる。
＜工程Ｐ４＞
次に、図１１に示すように、マスク材料層ＲＰ２を除去した後、エピタキシャル層１０の上面にマスク材料層ＲＰ３を形成し、マスク材料層ＲＰ３から露出するエピタキシャル層１０の上面にｐ型不純物（例えばアルミニウム）をイオン注入することにより、エピタキシャル層１０の上面の中央領域にｐ型領域１３を形成する。ｐ型領域１３のｐ型不純物（例えばアルミニウム）の濃度は、例えば２×１０１９ｃｍ−３、注入深さは、例えば０．８μｍである。
＜工程Ｐ５＞
次に、マスク材料層ＲＰ３を除去した後、アニールを行い、イオン注入した不純物の活性化を行う。これにより、エピタキシャル層１０の上面の中央領域にｐ型領域１３とドリフト層１２とから構成される炭化ケイ素ｐｎダイオードが形成され、その周囲に高濃度領域１７、中濃度領域１９、および低濃度領域１８から構成されるＪＴＥ１６が形成される。
＜工程Ｐ６＞
次に、図１２に示すように、ｐ型領域１３の上面にアノード電極１５を、例えばスパッタリング法などにより形成する。続いて、アノード電極１５の上面を露出するようにエピタキシャル層１０の上面に絶縁膜（図示は省略）を形成する。
＜工程Ｐ７＞
次に、図１３に示すように、基板１１の裏面にカソード電極１４を、例えばスパッタリング法などにより形成する。
以上のようにして、実施例１における炭化ケイ素ｐｎダイオードを有する半導体装置を製造することができる。
このように、実施例１によれば、炭化ケイ素と絶縁膜との界面に正電荷が存在しても、炭化ケイ素ｐｎダイオードを有する半導体装置において耐圧変動を抑えることができる。さらに、ＪＴＥ１６の面積を小さくできることから、チップサイズの割にアクティブ領域の面積を大きく取れる、またはチップサイズを小さくすることで低コスト化が可能になる。
また、ＪＴＥ１６を構成する高濃度領域１７、中濃度領域１９、および低濃度領域１８を３回ではなく、２回のイオン注入により形成することができるので、半導体装置の低コスト化が可能となる。
実施例２における炭化ケイ素ＪＢＳ（Junction Barrier Schottky：ジャンクション・バリア・ショットキー）ダイオードを有する半導体装置を図１５を用いて説明する。図１５は、実施例２における半導体装置の構成の一例を示す要部断面図である。
図１５に示すように、炭化ケイ素ＪＢＳダイオードは、前述の実施例１において説明した炭化ケイ素ｐｎダイオードにおいて、ｐ型領域１３を離散的に形成したものである。
ｐ型領域１３が形成されず、アノード電極１５と直接ショットキー接触するドリフト層１２の領域に、順バイアス時の熱電子放出電流が流れる。この熱電子放出電流は炭化ケイ素ｐｎダイオードの拡散電流と比較して低い電圧で流れるため、炭化ケイ素ＪＢＳダイオードは、炭化ケイ素ｐｎダイオードと比較して順方向電圧を低くすることができる。また、逆バイアス時には、ｐ型領域１３から空乏層が拡がり、アノード電極１５とドリフト層１２との界面に印加される電界強度が緩和される。その結果、炭化ケイ素ＪＢＳダイオードは、ｐ型領域１３のないショットキー・バリア・ダイオードと比較して逆方向リーク電流を少なくすることができる。
実施例２における半導体装置の製造工程と、前述の実施例１における半導体装置の製造工程とは、ｐ型領域１３の製造工程のみが異なる。実施例２では、前述の図１１に示したマスク材料層ＰＲ３を離散パターンとすればよい。
このように、実施例２によれば、炭化ケイ素ＪＢＳダイオードを有する半導体装置においても、前述した実施例１と同様の効果を得ることができる。
前述の実施例１において説明した炭化ケイ素ｐｎダイオードを有する半導体装置および前述の実施例２において説明した炭化ケイ素ＪＢＳダイオードを有する半導体装置は、電力変換装置に用いることができる。実施例３における電力変換装置を図１６を用いて説明する。図１６は、実施例３における電力変換装置（インバータ）の一例を示す回路図である。
図１６に示すように、インバータ２は、スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））４と、ダイオード５と、からなる。各単相において、電源電位（Ｖｃｃ）と負荷（例えばモータ）１の入力電位との間にスイッチング素子４とダイオード５とが逆並列に接続されており、負荷１の入力電位と接地電位（ＧＮＤ）との間にもスイッチング素子４とダイオード５とが逆並列に接続されている。つまり、負荷１では各単相に２つのスイッチング素子４と２つのダイオード５が設けられており、３相で６つのスイッチング素子４と６つのダイオード５が設けられている。そして、個々のスイッチング素子４のゲート電極には制御回路３が接続されており、この制御回路３によってスイッチング素子４が制御される。従って、制御回路３でインバータ２を構成するスイッチング素子４を流れる電流を制御することにより、負荷１を駆動することができる。
スイッチング素子４とダイオード５とは、逆並列に接続されている。このときのダイオード５の機能について以下に説明する。
ダイオード５は、負荷１がインダクタンスを含まない純抵抗である場合、還流するエネルギーがないため不要である。しかし、負荷１にモータのようなインダクタンスを含む回路が接続されている場合、ＯＮしているスイッチング素子４とは逆方向に負荷電流が流れるモードがある。このとき、スイッチング素子４単体では、この逆方向に流れる負荷電流を流し得る機能をもたないので、スイッチング素子４に逆並列にダイオード５を接続する必要がある。
すなわち、インバータ１において、例えばモータのように負荷１にインダクタンスを含む場合、スイッチング素子４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必ず放出しなければならない。しかし、スイッチング素子４単体では、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを開放するための逆方向電流を流すことができない。そこで、このインダクタンスに蓄えられた電気エネルギーを還流するため、スイッチング素子４に逆方向にダイオード５を接続する。つまり、ダイオード５は、インダクタンスに蓄えられた電気エネルギーを開放するために逆方向電流を流すという機能を有している。
このように、実施例３によれば、ダイオード５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用いることにより、例えばアクティブ領域の面積を大きく取ることでダイオードの素子数を減らすことができ、インバータなどの電力変換装置を小型化することができる。
また、電力変換装置は、３相モータシステムに用いることができる。前述の図１６に示した負荷１は３相モータであり、インバータ２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相モータシステムを小型化することができる。
前述の実施例３において説明した３相モータシステムは、ハイブリッド車、電気自動車などの自動車に用いることができる。実施例４における３相モータシステムを用いた自動車を図１７（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図１７（ａ）は、実施例４における電気自動車の構成の一例を示す概略図であり、図１７（ｂ）は、実施例４における昇圧コンバータの一例を示す回路図である。
図１７（ａ）に示すように、電気自動車は、駆動輪１０１ａおよび駆動輪１０１ｂが接続された駆動軸１０２に動力を入出力可能とする３相モータ１０３と、３相モータ１０３を駆動するためのインバータ１０４と、バッテリ１０５と、を備える。さらに、昇圧コンバータ１０８と、リレー１０９と、電子制御ユニット１１０と、を備え、昇圧コンバータ１０８は、インバータ１０４が接続された電力ライン１０６と、バッテリ１０５が接続された電力ライン１０７とに接続されている。
３相モータ１０３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１０４は、前述の実施例３において説明したインバータ２を用いることができる。
昇圧コンバータ１０８は、図１７（ｂ）に示すように、インバータ１１３に、リアクトル１１１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１１３は、前述の実施例３において説明したインバータ２と同様であり、インバータ２内のスイッチング素子１１４およびダイオード１１５の構成も前述の実施例３において説明したスイッチング素子４およびダイオード５の構成とそれぞれ同じである。
電子制御ユニット１１０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１０３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１０５の充放電値などを受信する。そして、インバータ１０４、昇圧コンバータ１０８、およびリレー１０９を制御するための信号を出力する。
このように、実施例４によれば、電力変換装置であるインバータ１０４および昇圧コンバータ１０８に、前述の実施例３において説明した電力変換装置を用いることができる。また、３相モータ１０３、およびインバータ１０４などからなる３相モータシステムに、前記の実施例３において説明した３相モータシステムを用いることができる。これにより、電気自動車に占める駆動系の容積を低減することができて、電気自動車の小型化、軽量化、および省スペース化を図ることができる。
なお、実施例４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ド自動車にも同様に３相モータシステムを適用することができる。
前述の実施例３において説明した３相モータシステムは、鉄道車両に用いることができる。実施例５における３相モータシステムを用いた鉄道車両を図１８を用いて説明する。図１８は、実施例５における鉄道車両に備えられるコンバータおよびインバータの一例を示す回路図である。
図１８に示すように、鉄道車両には架線ＯＷ（例えば２５ｋＶ）からパンダグラフＰＧを介して電力が供給される。トランス９を介して電圧が１．５ｋＶまで降圧され、コンバータ７で交流から直流に変換される。さらに、キャパシタ８を介してインバータ２で直流から交流に変換されて、負荷１である３相モータを駆動する。コンバータ７内のスイッチング素子４およびダイオード５の構成、およびインバータ２内のスイッチング素子４およびダイオード５の構成は、前述の実施例３において説明したスイッチング素子４およびダイオード５の構成と同じである。なお、図１８では、前述の実施例３において説明した制御回路３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。
このように、実施例５によれば、コンバータ７に、前述の実施例３において説明した電力変換装置を用いることができる。また、負荷１、インバータ２、および制御回路からなる３相モータシステムに、前述の実施例３において説明した３相モータシステムを用いることができる。これにより、鉄道車両の小型化および軽量化を図ることができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
１ 負荷
２ インバータ
３ 制御回路
４ スイッチング素子
５ ダイオード
７ コンバータ
８ キャパシタ
９ トランス
１０ エピタキシャル層
１１ 基板
１２ ドリフト層
１３ ｐ型領域
１４ カソード電極
１５ アノード電極
１６ ＪＴＥ
１７ 高濃度領域
１８ 低濃度領域
１９ 中濃度領域
２０ ｐ型領域
２１ 基板
２２ ドリフト層
２３ ｐ型領域
２４ カソード電極
２５ アノード電極
２６ ＪＴＥ
２７ 高濃度領域
２８ 低濃度領域
３０ ｐ型領域
１０１ａ，１０１ｂ 駆動輪
１０２ 駆動軸
１０３ ３相モータ
１０４ インバータ
１０５ バッテリ
１０６，１０７ 電力ライン
１０８ 昇圧コンバータ
１０９ リレー
１１０ 電子制御ユニット
１１１ リアクトル
１１２ 平滑用コンデンサ
１１３ インバータ
１１４ スイッチング素子
１１５ ダイオード
ＡＲ１ 第１の領域
ＡＲ２ 第２の領域
ＡＲ３ 第３の領域
ＩＦ 絶縁膜
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 幅
ＯＷ 架線
ＰＧ パンダグラフ
ＲＰ１，ＲＰ２，ＲＰ３ マスク材料層
ＲＴ 線路
Ｓ 濃度勾配
Ｓ１ 第１の濃度勾配
Ｓ２ 第２の濃度勾配
Ｓ３ 第３の濃度勾配
ＷＨ 車輪

Claims (15)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成されたｎ型の半導体層と、
    前記半導体層の上面側に形成された接合終端部と、
    を備える半導体装置であって、
    前記接合終端部は、
    ｐ型の第１領域と、
    前記第１領域よりも前記半導体基板の端部側に設けられたｐ型の第２領域と、
    を備え、
    前記第１領域は、第１濃度勾配を有し、
    前記第２領域は、前記第１濃度勾配よりも大きい第２濃度勾配を有する、半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第１濃度勾配が、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下であり、
    前記第２濃度勾配が、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍよりも大きく、６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下である、半導体装置。
  3. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記半導体層は、炭化ケイ素である、半導体装置。
  4. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第１領域および前記第２領域は、アルミニウムを含有する、半導体装置。
  5. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記接合終端部は、
    前記第２領域よりも前記半導体基板の端部側に設けられたｐ型の第３領域、を備え、
    前記第３領域は、前記第２濃度勾配よりも小さい第３濃度勾配を有する、半導体装置。
  6. 請求項５記載の半導体装置において、
    前記第１濃度勾配および前記第３濃度勾配が、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下であり、
    前記第２濃度勾配が、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍよりも大きく、６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下である、半導体装置。
  7. 半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成されたｎ型の半導体層と、
    前記半導体層の上面側に形成された接合終端部と、
    を備える半導体装置であって、
    前記接合終端部は、
    第１不純物濃度を有するｐ型の第１半導体領域と、
    前記第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃度を有するｐ型の第２半導体領域と、
    前記第２不純物濃度よりも低い第３不純物濃度を有するｐ型の第３半導体領域と、
    を備え、
    第１領域において、前記第２半導体領域が前記第１半導体領域に挟まれ、
    前記第１領域よりも前記半導体基板の端部側に設けられた第２領域において、前記第３半導体領域が前記第１半導体領域に挟まれている、半導体装置。
  8. 請求項７記載の半導体装置において、
    前記半導体層は、炭化ケイ素である、半導体装置。
  9. 請求項７記載の半導体装置において、
    前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、および前記第３半導体領域は、アルミニウムを含有する、半導体装置。
  10. （ａ）半導体基板の表面にｎ型の半導体層を形成する工程と、
    （ｂ）前記半導体層の上面側に、第１濃度勾配を有するｐ型の第１領域と、第２濃度勾配を有するｐ型の第２領域とが、前記半導体基板の端部に向かって順に配置される接合終端部を形成する工程と、
    を含む半導体装置の製造方法において、
    前記（ｂ）工程は、
    （ｂ１）前記第１領域の一部、および前記第２領域に、ｐ型の第１不純物をイオン注入する工程と、
    （ｂ２）前記第１領域、および前記第２領域の一部に、ｐ型の第２不純物をイオン注入する工程と、
    を含み、
    前記第１領域には、前記第１不純物と前記第２不純物とが重畳してイオン注入された第１不純物領域、および前記第２不純物のみがイオン注入された第２不純物領域が形成され、
    前記第２領域には、前記第１不純物と前記第２不純物とが重畳してイオン注入された第３不純物領域、および前記第１不純物のみがイオン注入された第４不純物領域が形成される、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項１０記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１濃度勾配が、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下であり、
    前記第２濃度勾配が、１．６×１０１５ｃｍ−３／μｍよりも大きく、６．３×１０１５ｃｍ−３／μｍ以下である、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項１記載の半導体装置を備える、電力変換装置。
  13. 請求項１２記載の電力変換装置を備える、３相モータシステム。
  14. 請求項１３記載の３相モータシステムを備える、自動車。
  15. 請求項１３記載の３相モータシステムを備える、鉄道車両。
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