JP2005294772A

JP2005294772A - 半導体装置

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Publication number: JP2005294772A
Application number: JP2004111690A
Authority: JP
Inventors: Susumu Murakami; 進村上
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】ＳｉＣ基板を用いた半導体装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】ダイオードは、ＳｉＣ基板１に形成されたｎ型半導体領域２とｐ⁺型半導体領域３とからなるｐｎ接合４によって構成されている。ＳｉＣ基板１の表面のアノード電極５を囲む領域には、このダイオードを保護するための表面安定化膜７が形成されている。表面安定化膜７は、ＳｉＣと同程度の線膨張係数を有するＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる亜鉛系ガラスで構成され、例えば１.５μｍ以上の厚い膜厚を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、ＳｉＣ（炭化珪素）基板を用いた半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。

インバータ装置等の電力変換器には、半導体スイッチング素子と並列接続される還流ダイオードやフライホイールダイオードが使われており、近年、インバータ装置の大容量化に伴って、高耐圧化に対応できる、いわゆる高耐圧半導体装置（パワーデバイス）が強く望まれている。

ＳｉＣ（炭化珪素）は、Ｓｉ（シリコン）に比べて高い電界に耐え得る材料であることから、パワーデバイス用の基板材料として注目されている。

特開平８−５１１１０号公報（特許文献１）は、ＳｉＣからなる半導体基板の表面に、パワーデバイス用ＭＯＳ素子の絶縁膜として有効な酸化シリコン膜を形成する方法に関する。この公報は、ＳｉＣ基板の表面にスパッタ法、ＣＶＤ法または熱酸化法を用いて酸化シリコン膜を形成する従来技術においては、酸化シリコン膜の内部、あるいは酸化シリコン膜とＳｉＣ基板との界面に所望しないトラップ準位密度が形成されてしまうという問題があることに鑑み、ＳｉＣ基板の表面にヘテロエピタキシャル法などによってシリコン薄膜を成長させた後、高温酸素雰囲気中において基板をドライ酸化することにより、シリコン薄膜を酸化シリコン膜に変える方法を開示している。
特開平８−５１１１０号公報

高耐圧半導体装置（パワーデバイス）の性能は、半導体基板に形成された接合（ｐｎ接合あるいはショットキ接合）の電気的特性に強く依存するが、特に、ｐｎ接合の耐圧は、高耐圧半導体装置の性能を決定する最も重要な特性の一つである。

ｐｎ接合の耐圧は、ｐｎ接合が終端する形状や、半導体基板上に形成された表面安定化膜によって決定される。すなわち、半導体基板内部のｐｎ接合に逆バイアス電位が印加されたときに、ｐｎ接合が終端する表面での電界強度が緩和されることと、表面安定化膜中の電荷によって基板表面に電界集中が生じて耐圧が低下するのを回避できることが望ましい。そのためには、例えば半導体基板の表面をベベル構造にする方法や、半導体基板の表面に環状の電界緩和リングを形成する方法が考えられる。

従来、シリコン基板を用いた半導体装置の場合は、表面安定化膜の材料として、熱酸化法やスパッタ法あるいはＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜が広く用いられている。しかしながら、ＳｉＣ基板の表面に、例えば熱酸化法によって酸化シリコン膜を形成すると、Ｃ（炭素）を多く含んだ酸化シリコン膜が形成されるために、表面安定化膜と基板との界面の電気的特性が不安定になる結果、ｐｎ接合のリーク電流が増えたり、耐圧が低下したりするといった問題が生じる。

また、ＳｉＣ基板の表面安定化膜を酸化シリコン膜で構成した場合は、酸化シリコンの熱膨張係数（１８×１０^-6/Ｋ）がＳｉＣのそれに比べて大きいことから、膜厚を厚く形成すると膜の内部にクラックが発生し、表面安定化膜としての機能が低下する結果、デバイス特性が外部雰囲気（水分やイオンなど）の影響を受けて低下してしまう。しかし、クラックの発生を避けるために表面保護膜を薄く形成すると、外部雰囲気の影響が半導体基板内に直接及ぶようになる結果、半導体基板の抵抗率が変化したり、半導体基板の導電型と異なる層が半導体基板表面に形成されたりしてデバイス特性が低下してしまう。

本発明の目的は、ＳｉＣ基板上に形成される表面安定化膜の特性を改善することによって、ＳｉＣ基板を用いた半導体装置の信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基板にｐｎ接合が形成され、この半導体基板上に表面安定化膜が形成された半導体装置において、前記表面安定化膜を、前記炭化珪素との熱膨張係数差が±１０％以内の絶縁材料で構成したものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

ＳｉＣ基板表面に形成される表面安定化膜の材料として、ＳｉＣと同程度の熱膨張係数を有する絶縁材料を用いることにより、表面安定化膜の特性が向上するので、ＳｉＣ基板形成されるデバイスの信頼性向上（リーク電流の低減、耐圧の向上）を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材に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。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の高耐圧半導体装置（パワーデバイス）を示す平面図、図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。

本実施の形態のパワーデバイスは、ｎ⁺型のＳｉＣ基板１に形成されたダイオードであり、図中の符号２は、ＳｉＣ基板１上にエピタキシャル成長させたｎ型のＳｉＣからなる半導体領域（ｎ型半導体領域）、符号３はｎ型半導体領域２上にエピタキシャル成長させたｐ⁺型のＳｉＣからなる半導体領域（ｐ⁺型半導体領域）である。ダイオードは、このｎ型半導体領域２とｐ⁺型半導体領域３とからなるｐｎ接合４によって構成されている。

ｐ⁺型半導体領域３の表面には、このｐ⁺型半導体領域３にオーミック接続されたアノード電極５が形成されており、ＳｉＣ基板１の裏面には、このＳｉＣ基板１を介してｎ型半導体領域２にオーミック接続されたカソード電極６が形成されている。

ＳｉＣ基板１の表面のアノード電極５を囲む領域には、上記ｐｎ接合４によって構成されたダイオードを保護するための表面安定化膜７が形成されている。本実施の形態のダイオードは、この表面安定化膜７を、ＳｉＣと同程度の線膨張係数を有する材料で構成したことに特徴がある。ここで、ＳｉＣの線膨張係数は、α−ＳｉＣ（六方晶系結晶）が４.３×１０^-6/Ｋ、β−ＳｉＣ（立方晶系結晶）が４.５×１０^-6/Ｋである。そこで本実施の形態では、表面安定化膜７の材料として、線膨張係数が４.２〜４.５×１０^-6/ＫであるＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる亜鉛系ガラスを用いている。

上記表面安定化膜７を形成するには、まずＳｉＣ基板１上にｎ型半導体領域２とｐ⁺型半導体領域３とをエピタキシャル成長させてｐｎ接合４を形成した後、周知のフォトリソグラフィ技術を用いてアノード電極形成領域の周囲に溝を形成する。続いてこの溝の内部にスピン塗布法で液状の亜鉛系ガラスを充填し、続いて５００℃程度のベーク処理を行って溶剤を揮発させた後、７００℃〜８５０℃で亜鉛系ガラスを焼成する。図中の符号８は、この焼成処理を行った時に溝の内壁（表面安定化膜７とｐｎ接合４との界面）に形成される反応層である。

表面安定化膜７の材料として、ＳｉＣ基板１と同程度の線膨張係数を有する上記のような亜鉛系ガラス材料を用いることにより、その膜厚を厚くしてもクラックが生じ難くなるので、例えば１.５μｍ以上の厚い表面安定化膜７を安定に形成することができ、外部雰囲気の影響によるダイオードの特性劣化を確実に防ぐことが可能となる。すなわち、表面安定化膜７上の水分やイオンなどの影響によってＳｉＣ基板１の抵抗率が変化したり、ＳｉＣ基板１の表面にＳｉＣ基板１と異なる導電型の層が形成されたりする不具合を防止することができるので、良好な耐圧特性を備えたダイオードが得られる。

また、表面安定化膜７とｐｎ接合４との界面に反応層８が形成されると、反応層８とｐｎ接合４との界面が事実上の界面となるので、デバイスから見た場合には、ＳｉＣのバルクが界面となる。これにより、界面の電気特性が安定するので、リーク電流が少なく、しかも耐圧の向上したｐｎ接合４が得られる。

表面安定化膜７の材料として、上記ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる亜鉛系ガラスを用いた本発明者の実験結果によれば、この亜鉛系ガラスの膜厚を１００μｍまで厚くしても、クラックは発生しなかった。また、本発明者の他の実験結果によれば、ＳｉＣ基板１と表面安定化膜７との膨張係数差が±１０％以内、すなわちＳｉＣの線膨張率をα(s)、亜鉛系ガラスの線膨張率をα(g)とした場合、０．９≦α(g)／α(s)≦１．１の範囲内であれば、表面安定化膜７を形成した後でもウエハ（ＳｉＣ基板１）の反りが問題にならない程度の膜厚（１０μｍ以下）を確保でき、生産性において問題にならないことが確認された。なお、ＳｉＣの線膨張率をα(s)および亜鉛系ガラスの線膨張率をα(g)は、それぞれ温度によって異なるが、２つの線膨張率の比（α(g)／α(s)）は、ダイオードの動作温度範囲およびその近傍でほぼ一定である。

本実施の形態のダイオードが形成されたＳｉＣ基板１は、例えば図３に示すように、アノード電極５とカソード電極６とにそれぞれリード１０を半田付けした後、樹脂パッケージ９で封止することにより、完成品となる。このようにして得られる本実施の形態のダイオードは、ＳｉＣ基板１を覆う表面安定化膜７が厚膜化されていることにより、ダイオードが水分やイオンといった外部環境の影響を受け難くなるので、ＳｉＣ基板１を安価な樹脂で封止してもダイオードの特性劣化を抑えることができる。これにより、ＳｉＣ基板１を高価なセラミックパッケージで封止する必要がなくなるので、ダイオードの製造コストを低減することができる。

（実施の形態２）
図４は、電界緩和リングを有するダイオードに適用した実施の形態を示す断面図である。なお、図４において図１で示した符号と同一のものは、その説明を省略する。

図中の符号３ａ、３ｂは、それぞれ電界緩和リングを示している。ｐ⁺型半導体領域からなる電界緩和リング３ａ、３ｂは、主たるｐｎ接合４から所定の距離を有し、ｎ型半導体領域２を介してｐｎ接合４を取り巻くような同心円状のパターンで形成されている。

上記電界緩和リング３ａ、３ｂは、耐圧の向上を目的として設けられる。すなわち、主たるｐｎ接合４に逆バイアス電位が印加された時、特に不純物濃度が低いｎ型半導体領域２側に空乏層が広がるが、この空乏層が内側の電界緩和リング３ａに到達した時に、さらに外側の電界緩和リング３ａに空乏層が広がるように、電界緩和リング３ａ、３ｂを設計しておくことにより、ＳｉＣ基板１の表面近傍における電界強度が内部よりも低くなるので、ｐｎ接合４の耐圧が向上する。

そこで、上記のような電界緩和リング３ａ、３ｂを有するｐｎ接合４の表面に、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる表面安定化膜７を形成することにより、高耐圧で、しかも信頼性の高いダイオードを実現することができる。表面安定化膜７を形成する方法は、前記実施の形態１で説明した方法と同じである。

（実施の形態３）
図５は、プレーナ型ダイオードに適用した実施の形態を示す断面図である。なお、図５において図１で示した符号と同一のものは、その説明を省略する。

本実施の形態のプレーナ型ダイオードは、ｐｎ接合４のｐ⁺型半導体領域３を不純物のイオン注入と熱拡散とによって形成したものである。すなわち、ＳｉＣ基板１上にＳｉＣからなるｎ型半導体領域２をエピタキシャル成長させた後、フォトレジスト膜をマスクにした不純物のイオン注入によって、ｎ型半導体領域２の表面の一部にｎ型不純物を導入し、続いてＳｉＣ基板１を熱処理してｎ型不純物を拡散させることによって、ｐ⁺型半導体領域３を形成する。その後、ＳｉＣ基板１の表面全体に前述した方法で表面安定化膜７を形成し、続いてフォトレジスト膜をマスクにしたエッチングでｐ⁺型半導体領域３の上部の表面安定化膜７を除去した後、露出したｐ⁺型半導体領域３の表面にアノード電極５を形成する。

上記プレーナ型ダイオードの表面を覆う表面安定化膜７をＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる亜鉛系ガラスで構成することにより、表面安定化膜７の膜厚を約１０μｍ程度まで厚くすることができるので、高耐圧で、しかもリーク電流の少ないプレーナ型ダイオードを実現することができる。

（実施の形態４）
図６は、電界緩和リングを有するプレーナ型ダイオードに適用した実施の形態を示す断面図である。なお、図６において図２示した符号と同一のものは、その説明を省略する。

ｐ⁺型半導体領域からなる電界緩和リング３ａ、３ｂは、主たるｐｎ接合４から所定の距離を有し、ｎ型半導体領域２を介してｐｎ接合４を取り巻くような同心円状のパターンで形成されている。電界緩和リング３ａ、３ｂの機能については、前記実施の形態２で説明したので、説明を省略する。

本実施の形態の形態によれば、電界緩和リング３ａ、３ｂを有するｐｎ接合４の表面に、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる表面安定化膜７を形成することにより、高耐圧で、しかもリーク電流の少ないプレーナ型ダイオードを実現することができる。

以上、本発明者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。

前記実施の形態では、表面安定化膜７の材料としてＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる亜鉛系ガラスを用いた場合について説明したが、ＳｉＣ基板との膨張係数差が±１０％以内である絶縁材料であれば、上記亜鉛系ガラスに限定されるものではない。このような絶縁材料として、例えばＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃からなる鉛系ガラスや、ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃からなる亜鉛−鉛系ガラスなどを例示することができる。

また、前記実施の形態では、ダイオード単体で構成された半導体装置について説明したが、本発明は、例えば半導体スイッチング素子と並列接続されてインバータ装置等の電力変換器を構成する還流ダイオードやフライホイールダイオードなどのように、高耐圧ダイオードと他のデバイスとを組み合わせたパワーモジュールに適用することもできる。また、本発明によれば、表面安定化膜を非常に厚く形成できるので、ベベル型等の接合終端構造にも適用することができる。

本発明は、ＳｉＣ基板を用いた高耐圧半導体装置（パワーデバイス）に適用して特に有効な技術である。

本発明の一実施の形態である半導体装置を示す平面図である。図１のII−II線に沿った断面図である。図１、図２に示す半導体装置の完成状態を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１ＳｉＣ基板
２ｎ型半導体領域
３ｐ⁺型半導体領域
３ａ、３ｂ電界緩和リング
４ｐｎ接合
５アノード電極
６カソード電極
７表面安定化膜
８反応層
９樹脂パッケージ
１０リード

Claims

炭化珪素からなる半導体基板の主面にｐｎ接合が形成され、前記半導体基板の主面上に表面安定化膜が形成された半導体装置であって、
前記表面安定化膜は、前記炭化珪素との熱膨張係数差が±１０％以内の絶縁材料からなることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記表面安定化膜と前記ｐｎ接合との界面には、前記絶縁材料と前記炭化珪素とが熱反応することによって形成された反応層が介在していることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記絶縁材料は、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯからなる亜鉛系ガラス、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃からなる鉛系ガラスまたはＺｎＯ−ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃からなる亜鉛−鉛系ガラスであることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記ｐｎ接合によってダイオードが構成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項４記載の半導体装置において、前記ダイオードは、さらに電界緩和リングを有することを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記表面安定化膜の膜厚は、１.５μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記表面安定化膜は、前記半導体基板の主面に形成された溝の内部に形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記ｐｎ接合は、前記半導体基板の主面にエピタキシャル成長させた第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域上にエピタキシャル成長させた第２導電型の第２半導体領域とからなることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記ｐｎ接合は、前記半導体基板の主面にエピタキシャル成長させた第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一部に不純物をイオン注入して形成した第２導電型の第２半導体領域とからなることを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、前記半導体基板は、樹脂パッケージに封止されていることを特徴とする半導体装置。