JP2005051111A - Mesa type semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高耐圧の半導体装置に係わり、特に高耐圧化および高信頼性化かつ低価格化を図る半導体装置に関する。 The present invention relates to a high-breakdown-voltage semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that achieves high breakdown voltage, high reliability, and low price.
メサ型半導体装置を高耐圧化、高信頼性化するための種々の技術は従来から提案されている。 Various techniques for increasing the breakdown voltage and reliability of a mesa semiconductor device have been proposed.
例えば、メサ型半導体装置の高耐圧化に関する技術として、特許文献1に記載された技術が知られている。この従来技術は、メサ溝内壁をガラスで被膜した半導体装置の製造方法において、メサ溝を形成したのちに熱処理により、pn接合部を当初の位置より移動させることにより、高耐圧が得られるとしている。
For example, a technique described in
さらに、メサ型の半導体装置の高耐圧化に関する他の従来技術として、特許文献2に記載された技術が知られている。この従来技術は、一定の幅内に隣接する2つのメサ溝を設け、2通信のメサ溝の中間に凸状の部分を設け、この凸状の部分を半導体基板の表面よりも低くなるようにエッチングにより形成することにより、ダイシング時にガラス内部にクラックが入らないようにして、半導体装置の信頼性の向上と高耐圧化とを図るものである。
Further, as another conventional technique related to increasing the breakdown voltage of a mesa type semiconductor device, a technique described in
また、メサ型半導体装置の高信頼性に関する他の従来技術として、特許文献3に記載された技術が知られている。この従来技術は、メサ溝内に電気泳動法によるガラス粉末付着および焼成で第一層目のガラス被膜を形成したのち、再度電気泳動法、焼成により第二層目のガラス被膜を積層すると、欠陥がないガラス被膜が得られ、高信頼性が実現できるものとされている。
Further, as another conventional technique related to high reliability of a mesa semiconductor device, a technique described in
さらに、メサ型半導体装置の高耐圧、高信頼性化に関する従来技術として、特許文献4に記載された技術が知られている。この従来技術は、メサ部半導体領域表面にガラス被膜中の第III族元素が拡散された領域を有することでガラス被膜中の電荷密度を調整し、逆バイアス高温試験においてリーク電流低下やリーク電流の低減が実現されるものとされている。
しかしながら、上記従来技術では、溝部の半導体表面にガラスを有する半導体装置がほとんどで、ガラスを有する半導体装置はプロセスが複雑になりコストがかかる。 However, in the above prior art, most of the semiconductor devices have glass on the semiconductor surface of the groove, and the semiconductor devices having glass are complicated and costly.
さらに、特許文献1〜3に記載された従来技術では、高温逆バイアス試験によるリーク電流増大や耐圧劣化、いわゆる寿命に対する高信頼性化に関する問題については考慮されていない。
Furthermore, in the prior art described in
本発明は、高温での逆バイアス試験(以下、BT試験という)等の寿命試験によるリーク電流の増大や耐圧低下を防止し、高信頼性を実現できる溝構造の微細化による低価格化の実現が可能な半導体装置を提供することにある。 The present invention realizes a reduction in cost by miniaturizing a groove structure that can prevent an increase in leakage current and a decrease in breakdown voltage due to a life test such as a reverse bias test (hereinafter referred to as a BT test) at a high temperature and realize high reliability. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of performing the above.
上記課題を解決するため、本発明のメサ型半導体装置は、裏面に一導電型の高濃度不純物層を有した一導電型の半導体基板内に、前記基板の表面から前記基板と反対の導電型の不純物を拡散してpn接合を形成し、前記基板の所定の領域に前記pn接合が露出するように前記基板表面に開口部を有するメサ型ないしはトレンチ型の溝を設けており、前記溝部底面および側面が酸化膜で覆われており 前記酸化膜の一部と前記酸化膜に覆われていない前記基板表面の一部との上に導電性電極からなるフィールドプレートを形成したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a mesa semiconductor device of the present invention has a conductivity type opposite to the substrate from the surface of the substrate in a one conductivity type semiconductor substrate having a high-concentration impurity layer of one conductivity type on the back surface. A pn junction is formed by diffusing the impurities, and a mesa type or trench type groove having an opening is provided on the substrate surface so that the pn junction is exposed in a predetermined region of the substrate, And a field plate made of a conductive electrode is formed on a part of the oxide film and a part of the substrate surface not covered with the oxide film. .
前記一導電型の高濃度不純物層における不純物濃度が1.0×1017cm-3以上の領域まで前記溝の底面が達していることが好ましい。 It is preferable that the bottom surface of the groove reaches a region where the impurity concentration in the high conductivity impurity layer of one conductivity type is 1.0 × 10 17 cm −3 or more.
前記溝部がポリイミド系の膜あるいは樹脂で埋め込まれていることがさらに好ましい。 More preferably, the groove is filled with a polyimide film or resin.
本発明によれば、ガラス被膜を使用することなく メサ型半導体装置を作製でき、プロセスが簡素化されてより低価格、高信頼性の高耐圧のメサ型半導体装置を提供できる。 According to the present invention, a mesa semiconductor device can be manufactured without using a glass coating, and the process can be simplified, and a low-cost, high-reliability high-voltage mesa semiconductor device can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態におけるメサ型半導体装置の断面図であり、本実施形態ではnpnバイポーラトランジスタについて示した。コレクタ領域となるn型半導体領域1、n+型半導体領域2、ベース領域となるp型半導体領域3、エミッタ領域となるn+型半導体領域4から構成され、ベース領域3、エミッタ領域4の周辺にpn接合が露出するようメサ溝6を設け、その表面が熱酸化膜7とアルミフィールドプレート8で覆われている。フィールドプレートは図2に示したようにポリシリコン等のその他の導電性の電極を用いてもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a mesa semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, an npn bipolar transistor is shown. An n-
図3は図1に示したメサ型半導体装置の製造工程説明図であり、以下、この図を用いて製造方法を説明する。 FIG. 3 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the mesa semiconductor device shown in FIG. 1, and the manufacturing method will be described below with reference to FIG.
まず、比抵抗60Ωcm、厚さ305μmのn型シリコン基板の片側よりリンを拡散して拡散深さ180μm、表面濃度2.0×1020cm-3のn+型半導体領域2を形成する。その後、シリコン基板の表面にシリコン酸化膜5を形成した後、n+型半導体領域2と反対側よりボロン、アルミニウム等を拡散させて、表面濃度5.0×1017〜5.0×1018cm-3のp型半導体領域3を形成する(図3(a))。
First, phosphorus is diffused from one side of an n-type silicon substrate having a specific resistance of 60 Ωcm and a thickness of 305 μm to form an n + -
次いで、選択的にエミッタ領域となるべき箇所にリンをドープする(図3(b))。しかるのち、シリコン酸化膜5の一部を除去し、弗酸:硝酸:酢酸=3:6:2(容量比)の7℃±2℃に冷却された混合液中で、エッチング処理をして、深さ180μm、幅440μmのメサ溝6を形成する。このメサ溝6は、n+型半導体領域2における不純物濃度1.0×1017cm-3以上の深さまでウエットエッチングしており、メサ底部の不純物濃度を1.0×1018cm-3以下とした(図3(c))。その後、熱拡散を行い表面濃度4.0×1019cm-3以上のエミッタ領域4を形成する。そして上記ベース領域3とエミッタ領域4及びメサ部の上に新たにシリコン酸化膜5’を形成する(図3(d))。
Next, phosphorous is selectively doped into a portion to be an emitter region (FIG. 3B). After that, a part of the
その後にベース及びエミッタアルミ電極とのコンタクト領域となるべき箇所のシリコン酸化膜5’を選択的に除去する(図3(e))。 After that, the silicon oxide film 5 'at a portion to be a contact region with the base and emitter aluminum electrodes is selectively removed (FIG. 3E).
最終的には、n型半導体基板にベース電極9、エミッタ電極10とコレクタ電極11を形成し、さらに溝部6の側面を覆ってアルミフィールドプレート8を形成する(図3(f))。その後、信頼性を高めるために溝部6にポリイミド系の膜12を選択的に形成する(図3(g))。これはポリイミド系の樹脂であってもよい。
Finally, a
しかるのち、メサ溝6の中央をダイシングして素子分離し、高耐圧、高信頼性のメサ型半導体装置を得る(図3(h))。
Thereafter, the center of the
本実施形態によれば、メサ溝部にフィールドプレートを形成することで ガラスを使用せずに、半導体基板の抵抗からより効率よく高耐圧及び高信頼性を実現できる。また、この作用にて、半導体装置の特性をより改善でき、同等の特性を出すのに半導体装置の面積をより小さくできる。また、不純物濃度が比較的低いメサ部底面の抵抗を利用できるため、効率よく高耐圧が実現でき、半導体装置のサイズをより小さくできる。特に600V以上の半導体装置の小型化には特に有効である。 According to the present embodiment, by forming the field plate in the mesa groove, high breakdown voltage and high reliability can be realized more efficiently from the resistance of the semiconductor substrate without using glass. In addition, with this action, the characteristics of the semiconductor device can be further improved, and the area of the semiconductor device can be further reduced in order to obtain equivalent characteristics. In addition, since the resistance at the bottom of the mesa portion having a relatively low impurity concentration can be used, high breakdown voltage can be realized efficiently, and the size of the semiconductor device can be further reduced. This is particularly effective for downsizing a semiconductor device of 600V or higher.
図4は、本発明のメサ型半導体装置と従来のメサ型半導体装置との信頼性試験結果を比較した図である。信頼性試験としてBT試験を行った。 FIG. 4 is a diagram comparing reliability test results between the mesa semiconductor device of the present invention and a conventional mesa semiconductor device. A BT test was conducted as a reliability test.
これからわかるように、100時間の試験後に、従来の装置では、コレクタ−エミッタ間のリーク電流が約1桁増加しているのに対し、本発明の装置ではほとんど増大せず高い信頼性を有することがわかる。 As can be seen, after 100 hours of testing, the leakage current between the collector and the emitter has increased by about an order of magnitude in the conventional device, whereas the device of the present invention hardly increases and has high reliability. I understand.
なお、本実施形態ではメサ溝を形成したが、図5に示すようにトレンチ溝を形成し、その中にフィールドプレートとしてポリシリコン13のような導電膜を埋め込む構造であっても構わない。
In this embodiment, the mesa groove is formed. However, as shown in FIG. 5, a trench groove may be formed and a conductive film such as
なお、本発明の実施形態については高耐圧のメサ型npnバイポーラトランジスタについて説明したが、MOSFET、IGBT、サイリスタおよびダイオード等についても、メサ型でガラス被膜を有するものについては同様の効果が得られる。 Although the embodiment of the present invention has been described with respect to a high-breakdown-voltage mesa npn bipolar transistor, the same effect can be obtained for a MOSFET, IGBT, thyristor, diode, and the like that are mesa-type and have a glass film.
本発明によれば、ガラス被膜を使用することなく メサ型半導体装置を作製でき、プロセスが簡素化されてより低価格、高信頼性の高耐圧のメサ型半導体装置を提供できる。 According to the present invention, a mesa semiconductor device can be manufactured without using a glass coating, and the process can be simplified, and a low-cost, high-reliability high-voltage mesa semiconductor device can be provided.
1 n型半導体領域(コレクタ領域)
2 n+型半導体領域(コレクタ領域)
3 p型半導体領域(ベース領域)
4 n+型半導体領域(エミッタ領域)
5、5’ シリコン酸化膜
6 メサ溝
7 メサ溝側面のシリコン酸化膜
8 アルミフィールドプレート
9 ベース電極
10 エミッタ電極
11 コレクタ電極
12 ポリイミド樹脂
13 ポリシリコンフィールドプレート
1 n-type semiconductor region (collector region)
2 n + type semiconductor region (collector region)
3 p-type semiconductor region (base region)
4 n + type semiconductor region (emitter region)
5, 5 '
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