JP2006332478A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁分離領域14の絶縁部材13の先端21をn半導体基板1cの裏面20から引っ込ませた凹状とすることで、n半導体基板1cの底部のコーナーでの電界強度を緩和して、良好な耐圧を得ることができる。また、n半導体基板1cの裏面20にフィールドストップ層22などの高濃度領域を形成することで、表面から伸びた空乏層が裏面20に達するのを防止して、裏面20に形成した絶縁膜23とn半導体基板1cとの界面に導入される表面準位の影響を排除し、良好な耐圧を得ることができる。
【選択図】 図1
Description
図11〜図15は、半導体基板内にSOIと同様な効果を持つ電気的に絶縁された分離構造を有する半導体装置の製造方法について、工程順に示した要部製造工程断面図である。以下の説明において、nは導電型がn型であることを示し、pは導電型がp型であることを示す。
n半導体基板51aの表面層に選択的にpウェル領域52を形成し、ゲート酸化膜53を介してポリシリコンからなるゲート電極54を形成する(図11)。
つぎに、n半導体基板の表面層にpソース領域55、pドレイン領域56およびnコンタクト領域57の高濃度領域を形成し、pウェル領域52の表面層にnソース領域58、nドレイン領域59およびpコンタクト領域60の高濃度領域を形成する。
つぎに、表面を図示しない層間絶縁膜(層間絶縁膜69に含まれる)で被覆し、この層間絶縁膜に形成したコンタクトホールを介してpソース領域、nコンタクト領域およびnソース領域、pコンタクト領域と電気的に接続するソース電極65、67およびpドレイン領域、nドレイン領域と電気的に接続するドレイン電極66、68である金属電極を形成する。その表面をポリイミド膜などの保護膜で被覆する。図ではこの保護膜を含めて層間絶縁膜69として示した。続いて、区画されたn半導体基板51bの裏面を絶縁分離領域64が露出するまで切削して薄型化し、区画されたn半導体基板51bを絶縁分離領域64で複数に分割し、複数の分割されたn半導体基板51cを形成する。この複数の分割されたn半導体基板51cの集合体をn半導体基板51と称する。絶縁分離領域64の底部の絶縁部材63をn半導体基板51の裏面70から突出させる(図14)。
最後に、導電性接着剤74で絶縁膜73を金属基板75やセラミック基板に固着して半導体装置が完成する(図15)。
このように絶縁分離領域64の底部の絶縁部材63を突出させ、この突出した絶縁部材63の先端71を絶縁膜73に埋め込むことで、SOI基板を用いた場合に発生する分離用トレンチ62に充填される絶縁部材63の厚みの変化や空洞、さらに分離用トレンチ62の形状におけるくびれが無い構成にでき、耐圧低下を防止できる。
また、この特許文献1では、n半導体基板51の底面と絶縁膜73の間に金属などの低抵抗層を設けることでバイポーラトランジスタの特性(hfeやオン電圧など)を向上できることが開示されている。特許文献1では説明されていないが、この低抵抗層は図では分割されたn半導体基板51cの裏面70全域に形成されているが、部分的に形成しても特性の向上は達成されるものと推測できる。
しかし、図15に示すように、絶縁分離領域64の底部の絶縁部材63の先端71がn半導体基板51の裏面70より突出する構造では、n半導体基板51aの裏面のエッチング後、突出した絶縁部材63の先端71が尖る形状になり易く、製造工程中にこの突出した絶縁部材63が割れたり、欠けたりする問題がある。
また、n半導体基板51の裏面70の処理において、研磨やエッチングにて形成した面に機械歪(欠陥層)が残っていたり、n半導体基板51の裏面70と絶縁膜73との界面に界面準位が存在したりする。n半導体基板51cの裏面方向に伸びた空乏層がn半導体基板51cの裏面70に到達すると、前記機械的歪および界面準位からの発生電流によりリーク電流を増大させ、耐圧低下を招く。
図14のB部の拡大図である図16に示すように、絶縁分離領域64の底部の絶縁部材63の先端71が突出する構造では、この絶縁分離領域64と接する分割されたn半導体基板51cのコーナー76は裏面70の研削時に下側に凸状になる。このような形状となるとコーナー76での電界集中が一層強められて、耐圧低下が顕著になる。尚、絶縁部材63は、図16に示すように分離用トレンチ62の側壁に形成される酸化膜80とこの酸化膜80を介して分離用トレンチ62を充填するポリイミド81で構成されている。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、良好な耐圧を得ることができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
また、前記絶縁部材が、酸化膜により形成されているとよい。
また、前記絶縁部材が、トレンチ側壁に形成した酸化膜と、該酸化膜に挟まれた領域を充填するポリシリコンにより形成されるとよい。
また、前記第2主面側の表面層に前記半導体基板と同一の導電型で前記半導体基板より高濃度の半導体領域を有するとよい。
また、半導体基板の第1主面から第2主面まで到達するトレンチと、該トレンチを充填する絶縁部材と、該絶縁部材と接続し前記第2主面を被覆する絶縁膜とからなる絶縁分離領域を有し、前記絶縁部材の先端が前記第2主面の表面より凹状となっている半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の第1主面から所定の深さに分離用トレンチを形成する工程と、
該分離用トレンチを絶縁部材で充填する工程と、
前記半導体基板の第1主面と反対側の面を研磨し、前記絶縁部材を露出させ、該絶縁基板の先端を研磨後の半導体基板の第2主面より引っ込ませ、凹状にする工程と、
前記第2主面上に絶縁膜を形成する工程と、
を含む製造方法とする。
また、前記第2主面側の表面層に前記半導体基板と同一の導電型で前記半導体基板より高濃度の半導体領域を形成する工程を含む製造方法とする。
また、前記高濃度の半導体領域が、イオン注入とイオン注入により導入された不純物をレーザーアニールで電気的に活性化して形成される製造方法とする。
また、前記半導体基板が、エピタキシャルウェハ、CZウェハ、FZウェハまたは拡散ウェハを用いる製造方法とする。
〔作用〕
分離用トレンチを充填する絶縁部材の先端を半導体基板の裏面より引っ込んだ凹状とする方法として、半導体基板の研磨やエッチングの選択比を半導体基板材料(シリコン)<絶縁部材の材料になるように制御させる方法がある。絶縁部材の材料としては熱酸化膜の緻密な酸化膜よりもCVD(Chemical Vapor Deposition)法などで形成したポーラスな絶縁膜(例えば、酸化膜など)や分離用トレンチ内壁に形成された酸化膜とこの酸化膜を介して充填されるポリシリコンなどが有効である。
また、半導体基板の裏面にフィールドストップ層などの高濃度領域を形成することで、表面から伸びた空乏層が裏面に達するのを防止して、裏面に形成した絶縁膜と半導体基板との界面に導入される表面準位の影響を排除し、良好な耐圧を得ることができる。
さらに、従来SOIプロセスに比べて安価なプロセスコストでSOIウェハと同じ機能(例えば、素子間の寄生効果が無い)を持たせることができ、安価で良好な耐圧を有する半導体装置を提供することができる。
この半導体装置は、n半導体基板1が絶縁分離領域14で分割されたn半導体基板1cの表面層に形成されたpウェル領域2、ポリシリコンのゲート電極4、pソース領域5、pドレイン領域6、nコンタクト領域7、nソース領域8、nドレイン領域9、pコンタクト領域10などの高濃度領域およびソース電極15、17とドレイン電極16、18の金属電極で構成されたpチャネルMOSFET41とnチャネルMOSFET42などの素子と、この素子を駆動・保護する図示しない回路と、素子同士、回路同士、素子と回路間をそれぞれ絶縁する絶縁分離領域14と、n半導体基板の裏面20に形成される絶縁膜23とを有する。図1(b)では、表面を被覆する保護膜も兼ねた層間絶縁膜19、このn半導体基板1を支持する金属基板25およびこれらを固着する導電性接着剤24も示した。
また、分割したn半導体基板1cの裏面20全域にnフィールドストップ層22を形成し、このnフィールドストップ層22上に絶縁膜23を形成する。この絶縁膜23は導電性接着剤24を介して金属基板25と固着されている。
このnフィールドストップ層22を分割されたn半導体基板1cの裏面20全域に形成することで、n半導体基板1cの表面に形成された素子から延びてくる空乏層がn半導体基板の裏面20に到達しないため、良好な耐圧を得ることができる。
つぎに、図1の半導体装置の製造方法について説明する。
図2〜図6は、図1の半導体装置の製造方法を示す図であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。
n型で比抵抗が数Ωcm程度のCZウェハからなるn半導体基板1aの表面層に、例えばp型不純物でドーズ量が1×1013cm-2程度のpウェル領域2を形成し、n半導体基板1aの表面上に厚さが数10nm程度のゲート酸化膜3を形成し、ポリシリコンでゲート電極4を形成する(図2)。
つぎに、pソース領域5、pドレイン領域6、nコンタクト領域7、nソース領域8、nドレイン領域9、pコンタクト領域10などの高濃度領域を形成する(図3)。
また、化学研磨工程の代わりにCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程を用いても同じ形状とすることができる。n半導体基板1の厚みT2から絶縁部材13の先端21までの長さT3の差分(T2−T3)は、数μm(0.1μm〜3μm程度)が望ましい(図5)。
つぎに、分割されたn半導体基板1cの表面に形成した素子から延びる空乏層が分割されたn半導体基板1cの裏面20に形成した絶縁膜23に到達するのを防ぐために、n半導体基板1cよりも高濃度なnフィールドストップ層22を分割されたn半導体基板1cの裏面20全域に形成する。このnフィールドストップ層22は、薄型化したn半導体基板1の裏面20にn型のドーパント(ドープされるn型不純物)をイオン注入にて注入し、ソース電極15、17およびドレイン電極16、18の金属電極が変質しない低温(〜500℃程度)またはレーザーアニールにより活性化を図る。
尚、前記の製造工程で図3のソース領域5、8、ドレイン領域6、9などの高濃度領域を形成する工程と図4の分離用トレンチ12を形成する工程を入れ替え、分離用トレンチ12を形成する時にn半導体基板1に導入されたダメージを回復させ、その後で、図3のソース領域5、8やドレイン領域6、9などの高濃度領域を形成すると、良好なMOSFETの特性を確保することができる。この場合は、分離用トレンチ12を形成した後、ゲート絶縁膜3(酸化膜)を残して、トレンチ形成用のマスク材であるレジストを除去し、高温で熱処理することで、ダメージをゲート絶縁膜3に吸収させて、ダメージを回復させる。その後、分離用トレンチ12内に絶縁部材13を充填し、前記のようにソース領域5、8やドレイン領域6、9などの高濃度領域を形成する。
図8から、パンチスルー電圧を1Vから10kVの範囲に設定する場合は、ドーズ量は1×108 (1E8)cm-2〜1×1012(1E12)cm-2の範囲が良い。そして、絶縁部材21と接するように絶縁膜23をn半導体基板1cの裏面20に形成する。この絶縁膜23の材料は、常温プラズマCVDで形成した酸化膜や酸化シリコンを含有したSOGおよびポリイミドなどの有機材料の絶縁材料が適用できる。
最後に、導電性接着剤24を介して金属基板25に接合されて半導体装置が完成する(図6)。この絶縁膜23および導電性接着剤34の代わりにエポキシ系の接着剤などを用いるとn半導体基板の裏面20の絶縁および金属基板25との接合を兼ねることもできる。また、金属基板25の代わりにセラミック基板などの絶縁基板を用いても良い。
また、この製造方法を用いることで、従来SOIプロセスに比べて安価なプロセスコストでSOIウェハと同じ機能(例えば、素子間の寄生効果が無い)を持ち、良好な耐圧が得られる。
p半導体基板1dにハイサイド側の出力段横型nチャネルMOSFET43a、43bと回路部44が絶縁分離領域14で横型分離されて形成されている。ここでは簡略化するために、出力段横型nチャネルMOSFET43a(耐圧=60V)は1セル分、回路部44はこの回路部44を構成するpチャネルMOSFET44a(耐圧=7V)の1素子分を図示した。基本的な製造工程は図2〜図6と同じである。
比抵抗が数Ωcm程度のCZ−p型半導体基板を用い、p半導体基板(研削後p半導体基板1dとなる)の表面層にドーズ量が5×1012cm-2程度で深さが2.0μm〜3.0μm程度のnウェル領域2aを形成し、ドーズ量が1×1013cm-2程度で深さが1.5μm〜2.0μm程度のpウェル領域26aを形成する。
表面に図示しない層間絶縁膜(層間絶縁膜19に含まれる)を形成し、この層間絶縁膜にコンタクトホールを開口し、ソース電極15、17とドレイン電極16、18となる金属電極を形成し、さらにその上に保護膜を兼ねる層間絶縁膜19を形成する。
p半導体基板の裏面を研磨およびエッチングにてp半導体基板1dの厚みT4が100μmとなるまで薄型化させる。エッチングの選択比を制御することで、絶縁部材13はp半導体基板1dの裏面20より凹状に陥没し、この凹部の絶縁部材13は前記の絶縁膜23と接続し、絶縁部材13と裏面20の絶縁膜23で分割されたp半導体基板1eの側面と底面が取り囲まれている。絶縁膜23は常温プラズマCVDにて酸化膜を形成した。この絶縁膜23はポリイミドなどのポリイミドや酸化シリコンを含有したSOG(Spin on glass)などを用いても良い。導電性接着剤24を介して金属基板25に接合して半導体装置が完成する。
n型半導体基板1上にトーテムポール回路の上アーム素子として横型nチャネルIGBT45aと同じく下アーム素子として横型nチャネルIGBT45bと回路部46が絶縁分離領域14にて横型分離された構造となっている。ここでは簡略化するために、図10(b)では横型nチャネルIGBT45a(耐圧=200V)は1セル分、回路部46を構成するnチャネルMOSFET46a(耐圧=7V)の1素子分を図示した。基本的な製造工程は図2〜図6と同じである。
尚、IGBTのようなバイポーラ素子の場合、n半導体基板の厚みT5が厚いと、伝導度変調されたキャリア量が多くなるためターンオフ損失および応答特性が悪化するので、n半導体基板の厚みT5を薄型化し、通常、空乏層がn半導体基板の裏面20に届くような設計とする。また、n半導体基板の裏面20を研磨する場合、n半導体基板の厚みT5が数十μm以下になるとプロセス中のn半導体基板(ウェハ)に割れが発生し易くなるため、層間絶縁膜19の表面にウェハ割れを防止するための図示しない支持基板を貼り付けて行うと良い。n半導体基板の裏面20にnフィールドストップ層22を形成するために、ドーズ量が5×1011cm-2のP(リン)のイオン注入を行い、レーザーアニールで活性化を行なう。絶縁膜23は常温プラズマCVDにて酸化膜を形成した。この絶縁膜23はポリイミドなどのポリイミドや酸化シリコンを含有したSOGなどを用いても良い。導電性接着剤24を介して金属基板25に接合して半導体装置が完成する。
1d p半導体基板
1b 区画されたn半導体基板
1c 分割されたn半導体基板
1e 分割されたp半導体基板
2、26a pウェル領域
2a nウェル領域
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 pソース領域
6 pドレイン領域
7 nコンタクト領域 8 nソース領域
9 nドレイン領域
10 pコンタクト領域
11、19 層間絶縁膜
12 分離用トレンチ
13 絶縁部材
14 絶縁分離領域
15、17 ソース電極
16、18 ドレイン電極
20 裏面
21 先端
22 nフィールドストップ層
23 絶縁膜
24 導電性接着剤
25 金属基板
26 コーナー
26b nバッファ領域
27 nエミッタ領域
28 pコレクタ領域
29 pコンタクト領域
30 エミッタ電極
31 コレクタ電極
41、42 nチャネルMOSFET
43a、43b ハイサイド横型nチャネルMOSFET
44、46 回路部
44a pチャネルMOSFET
46a nチャネルMOSFET
Claims (9)
- 半導体基板の第1主面から第2主面まで到達するトレンチと、該トレンチを充填する絶縁部材と、該絶縁部材と接続し前記第2主面を被覆する絶縁膜とからなる絶縁分離領域を有する半導体装置において、
前記絶縁部材の先端が前記第2主面の表面より凹状となることを特徴とする半導体装置。 - 前記絶縁部材が、酸化膜により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記絶縁部材が、トレンチ側壁に形成した酸化膜と、該酸化膜に挟まれた領域を充填するポリシリコンにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2主面側の表面層に前記半導体基板と同一の導電型で前記半導体基板より高濃度の半導体領域を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 半導体基板の第1主面から第2主面まで到達するトレンチと、該トレンチを充填する絶縁部材と、該絶縁部材と接続し前記第2主面を被覆する絶縁膜とからなる絶縁分離領域を有し、前記絶縁部材の先端が前記第2主面の表面より凹状となる半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の第1主面から所定の深さに分離用トレンチを形成する工程と、
該分離用トレンチを絶縁部材で充填する工程と、
前記半導体基板の第1主面と反対側の面を研磨し、前記絶縁部材を露出させ、該絶縁基板の先端を研磨後の半導体基板の第2主面より引っ込ませ、凹状にする工程と、
前記第2主面上に絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁膜が、樹脂系のポリイミド膜、SOG膜もしくはCVDによる酸化膜であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2主面側の表面層に前記半導体基板と同一の導電型で前記半導体基板より高濃度の半導体領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記高濃度の半導体領域が、イオン注入とイオン注入により導入された不純物をレーザーアニールで電気的に活性化して形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体基板が、エピタキシャルウェハ、CZウェハ、FZウェハまたは拡散ウェハを用いることを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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