JP2007294670A

JP2007294670A - 半導体装置の製造方法および半導体装置

Info

Publication number: JP2007294670A
Application number: JP2006120676A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tanaka; 宏明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】簡単な構成で安定して確実に半導体素子の温度を検出することができ、半導体素子を過熱から確実に保護することができる温度モニタ素子を備えた半導体装置、およびそのような半導体装置を容易に製造することができる製造方法を提供する。
【解決手段】電流を印加することにより発熱する半導体素子１の温度を検出する温度モニタ素子２を設けてなる半導体装置の製造方法であって、半導体素子の絶縁膜上に温度モニタ素子２を構成するためのポリシリコンを堆積してシリコン層２０を形成する工程を行い、次いで、シリコン層２０をレーザアニールにより局所的に熱処理して再結晶化し単結晶とする熱処理工程と、多結晶のままの状態、または、再結晶化することにより単結晶となったシリコン層２０内に不純物を導入してＰＮ接合を形成する工程と、を行って温度モニタ素子２を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、電流を印加することにより発熱する半導体素子の温度を検出する温度モニタ素子を設けてなる半導体装置と、このような半導体装置を製造するための方法と、に関するものである。

たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスを構成する半導体装置は、作動時に発熱する半導体素子を備えている。これらの半導体素子は、大電流や高集積化に伴って発熱量が大きくなる。このような半導体装置においては、過度な発熱（温度上昇）による誤作動や破損を防ぐために、保護回路が従来から設けられている（たとえば、特許文献１）。特許文献１には、主半導体素子（半導体素子）のほかにその素子の過熱保護のための温度検出用素子（温度モニタ素子）を備えたものにおいて、温度検出用素子が主半導体素子の半導体素体の表面上に絶縁膜を介して形成された半導体層を基体とすることを特徴とし、さらに、温度検出用素子が主半導体素子の表面上に絶縁膜を介して形成された半導体層の第一導電形の領域とその領域に隣接する第二導電形の領域とよりなる（ＰＮ接合された）ダイオードである半導体装置が開示されている。さらにまた、特許文献１には、前記半導体層が多結晶シリコン層であることが記載されている。

特開平６−１１７９４２号公報

しかしながら、上記特許文献１にあっては、温度検出用素子（温度モニタ素子）を構成する半導体層が結晶粒界を有する多結晶シリコン層により構成されているため、電気的に活性なエネルギ準位（粒界準位）が存在しており、キャリヤのトラップ、再結合、散乱など、電気特性に影響を与えることから、半導体層の特性にバラツキが生じ、したがって温度検出用素子からの出力電圧にバラツキが生じて、安定して主半導体素子を過熱から確実に保護することが困難となるなどの問題があった。

そして、このような問題を解決するためには、温度モニタ素子の半導体層をＣＶＤによりエピタキシャル成長させることにより形成することも考えられるが、かかるエピタキシャル成長により形成する場合には一般にＣＶＤを１２００℃程度の高温の成長温度領域で行う必要があり、そのため、温度モニタ素子の半導体層が表面に形成される主半導体素子までもが高温で加熱されることとなり、この主半導体素子の集合体であるウエハに反りが生じるなどの問題が生じることとなる。また、温度モニタ素子を構成する半導体層は、主半導体素子の表面上に酸化膜などの絶縁膜を介して形成する必要があるため、半導体層をＣＶＤによりエピタキシャル成長させることにより形成することが困難であるという問題もあった。そのため、温度モニタ素子の半導体層をＣＶＤによりエピタキシャル成長させることにより形成することが実質的に困難であるなどの理由で、従来の技術における温度モニタ素子は、結晶粒界を有する多結晶シリコン層により構成することしかできず、結局、出力電圧を安定させることができないなどの問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で安定して確実に半導体素子の温度を検出することができ、もって、半導体素子を過熱から確実に保護することができる温度モニタ素子を備えた半導体装置、およびそのような半導体装置を容易に製造することができる製造方法を提供することを目的とする。

請求項１の半導体装置の製造方法に係る発明は、上記目的を達成するため、電流を印加することにより発熱する半導体素子の温度を検出する温度モニタ素子を設けてなる半導体装置の製造方法であって、前記半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積してシリコン層を形成する工程と、前記シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程と、不純物を前記シリコン層に導入してＰＮ接合を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
請求項２の半導体装置に係る発明は、上記目的を達成するため、電流を印加することにより発熱する半導体素子の温度を検出する温度モニタ素子を設けてなる半導体装置であって、前記温度モニタ素子が、前記半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積させたシリコン層からなり、該シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化させ、且つ、前記シリコン層に不純物を導入してＰＮ接合させたものであることを特徴とするものである。

請求項１の発明では、最初に、半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積してシリコン層を形成する工程を行い、次いで、多結晶のシリコン層を局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程と、多結晶のままの状態シリコン層に、または、再結晶化することにより単結晶となったシリコン層に、不純物を導入してＰＮ接合を形成する工程と、を行って温度モニタ素子を構成する。半導体素子の絶縁膜上に形成されたシリコン層は、局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程を行うことにより結晶粒界が消失して単結晶化し、且つ、その内部に不純物を導入することによりＰＮ接合されたダイオードとなる。そのため、温度モニタ素子が温度モニタ信号を安定した電圧で出力して、半導体素子が過熱から確実に保護される。
請求項２の発明では、温度モニタ素子を、半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積させたシリコン層からなり、該シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化させ、且つ、前記シリコン層に不純物を導入してＰＮ接合させたものとすることにより、半導体素子の絶縁膜上に結晶粒界が消失して単結晶化したダイオードにより温度モニタ素子が構成される。そのため、温度モニタ素子は、温度モニタ信号を安定した電圧で出力し、半導体素子を過熱から確実に保護する。

請求項１の発明によれば、半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積してシリコン層を形成する工程と、前記シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程と、不純物を前記シリコン層に導入してＰＮ接合を形成する工程と、を有する、という簡単な構成で、安定して確実に半導体素子の温度を検出することができ、もって、半導体素子を過熱から確実に保護することができる温度検出用素子を備えた半導体装置を容易に製造することが可能な製造方法を提供することができる。
請求項２の発明によれば、温度モニタ素子が、半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積させたシリコン層からなり、該シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化させ、且つ、前記シリコン層に不純物を導入してＰＮ接合させたものである、という簡単な構成で、安定して確実に半導体素子の温度を検出することができ、もって、半導体素子を過熱から確実に保護することができる温度検出用素子を備えた半導体装置を提供することができる。

最初に、本発明の半導体装置の製造方法の基本的な実施の形態を図１〜図４に基いて詳細に説明する。なお、同一符号は同一部分または相当部分を示すものとする。
本発明の半導体装置の製造方法は、概略、電流を印加することにより発熱する半導体素子１の温度を検出する温度モニタ素子２を設けてなる半導体装置の製造方法であって、半導体素子の絶縁膜上に温度モニタ素子２を構成するための多結晶のシリコン（以下、ポリシリコンという）を堆積してシリコン層２０を形成する工程を行い、次いで、シリコン層２０を局所的に熱処理して再結晶化し単結晶とする熱処理工程と、多結晶のままの状態、または、再結晶化することにより単結晶となったシリコン層２０内に不純物を導入してＰＮ接合を形成する工程と、を行って温度モニタ素子２を構成するものである。

半導体素子１は、たとえば、パワーデバイスを構成するもので、ウエハに複数形成されており、後の工程でダイシングされることにより個々に切離される。この実施の形態における各半導体素子は、Ｎ−型半導体層１０の表面上にＰ−領域１１が形成されており、Ｐ−領域１１の終端（図における左右両端）にＰ＋領域１２がそれぞれ形成されている。そして、ゲート電極１３を構成するためのトレンチ１４Ａ〜Ｆが６ヶ所形成されている。両端のトレンチ１４Ａ、１４ＦはＰ‐領域１１からＰ＋領域１２に達するよう形成されており、その内側のトレンチ１４Ｂ、１４ＥはＰ−領域１１からＰ＋領域１２およびＮ−型半導体層１０に達するよう形成されており、さらにその内側のトレンチ１４Ｃ、１４ＤはＰ−領域１１からＮ−型半導体層１０に達するよう形成されている。各トレンチ１４Ａ〜Ｆには、絶縁層１５を介してポリシリコン１６が堆積されている。半導体素子１の全体の表面には酸化膜などからなる絶縁層１７が形成されている。各ゲート電極１３の表面における絶縁層１７は後に開口が形成されて、各ポリシリコン１６は絶縁層１７全体の表面に被覆される電極と電気的に接続される。ゲート電極１３が設けられているＰ−領域１１は、半導体素子１の活性化領域（以下、符号１１を場合によってＰ−領域あるいは活性化領域の双方に付す）を構成する。活性化領域１１は、印加される電流に応じて発熱する。

このように発熱する半導体素子１の温度を検出するための温度モニタ素子２を設けるにあたり、最初に、図１に示すように、半導体素子１の活性化領域１１の周囲（この実施の形態の場合）における絶縁層１７の表面にポリシリコンをＣＶＤなどにより堆積してシリコン層２０を形成する工程を行う。ポリシリコンを堆積するためのＣＶＤの温度は、上述した半導体層をエピタキシャル成長により形成する場合よりも低く、一般に８００℃以下の温度領域で行われる。シリコン層２０は、ポリシリコンを堆積したものであるため、このままの状態では、図１に概念的に示されているように、その内部に結晶粒界が存在した状態となっている。

熱処理工程は、この実施の形態では、半導体素子１の絶縁層１７上に形成されたシリコン層２０のみにレーザビームを照射することにより（図２の矢印を参照）、シリコン層２０のみを局所的に熱処理する。熱処理は、この実施の形態の場合においては、高エネルギのパルスレーザビームを所定のモードで所定時間照射することによりシリコン層２０を加熱し溶融する。これにより、シリコン層２０を構成するポリシリコンは、再結晶化して単結晶となって結晶粒界が消失する（レーザーアニール）。また、シリコン層２０の周囲は、レーザビームが照射されることがないため、不用意に加熱されることはなく、従って反りなどの変形が生じることはない。

不純物をシリコン層２０内に導入してＰＮ接合を形成する工程は、この実施の形態の場合、シリコン層２０内に不純物をイオン注入する工程（図３の矢印を参照）と、シリコン層２０内にイオン注入された不純物を活性化させる工程と、により構成されている。不純物を活性化させる工程では、シリコン層２０を加熱する。ＰＮ接合されたシリコン層２０は、半導体素子１の温度に応じた温度モニタ信号を半導体素子１の制御手段に出力する。制御手段は、半導体素子１の温度が過度に上昇した場合に、半導体素子１の電流を停止させるなどの制御を行う。

なお、本発明の半導体装置の製造方法では、温度モニタ素子２を設けるにあたり、シリコン層２０を構成するポリシリコンを再結晶化させて単結晶とする熱処理工程と、ＰＮ接合工を形成する工程とは、どちらを先に行ってもよい。すなわち、第１の例として、シリコン層２０を構成するポリシリコンをレーザアニールにより熱処理して再結晶化させ（図２）、次いで、再結晶化したシリコン層２０に内に不純物をイオン注入し（図３）、その後、熱処理してイオン注入された不純物を活性化させる。また、第２の例として、最初にポリシリコンにより構成されたシリコン層２０内に不純物をイオン注入し（図３を参照）、その後レーザアニールにより（図２を参照）、イオン注入された不純物を活性化させると同時に、シリコン層２０を再結晶化させてポリシリコンから単結晶とする。第２の例の場合には、シリコン層２０の不純物の活性化と再結晶化とを同時に行うことができるため、工程数を省略することができるので効率がよい。

以上説明したようにして製造された半導体装置の温度モニタ素子２は、半導体素子１の絶縁膜１７上に多結晶のシリコンを堆積させたシリコン層２０からなり、このシリコン層２０を局所的に熱処理して再結晶化させ、且つ、シリコン層２０に不純物を導入してＰＮ接合させたものにより構成されている。ＣＶＤにより多結晶のシリコンを堆積させてシリコン層２０を形成するため、エピタキシャル成長により形成する場合と比較して温度領域が低くて済むと共に容易に堆積させることができ、また、レーザアニールにより局所的にシリコン層２０を加熱し再結晶化させて結晶粒界が存在しない単結晶とされているために、半導体素子１に熱影響を与えることなく温度モニタ素子２を設けることができ、しかも、電気特性のバラツキを抑えて温度モニタ信号を安定した電圧で出力することができる。

次に、本発明の別の実施の形態を図４〜図７に基づいて説明する。なお、この実施の形態においては、上述した実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとする。
この実施の形態においては、最初に、上述した実施の形態と同様に、図４に示すように、半導体素子１の活性化領域１１の周囲における絶縁層１７の表面にポリシリコンをＣＶＤなどにより堆積してシリコン層２０を形成する工程を行う。このとき、シリコン層２０は、その内部全体に結晶粒界が存在した状態で形成されている。

次いで、図５に示すように、形成されたシリコン層２０のみにレーザビームを照射してレーザアニールを行い、ポリシリコンを再結晶化させて単結晶のシリコン層２０とする。このレーザアニールを行うに際しては、図７に示すように、レーザビームのエネルギの大きさ（強さ）とシリコン層２０の溶融することによる再結晶化の深さとは正比例する。そのため、この実施の形態では、照射するレーザビームの出力や照射時間を調整することにより、シリコン層２０の厚さ方向全てを再結晶化させるのではなく、所定の深さの部分２０ａだけをレーザアニールして、シリコン層２０の絶縁層１７との界面近傍の部分２０ｂは、結晶粒界が存在したままにする。そのため、シリコン層２０は、このシリコン層２０が形成された絶縁層１７との界面にまで加熱・溶融されないので、半導体素子１がレーザアニールによりシリコン層２０を再結晶化させるための熱の影響を受けることを確実に回避することができる。なお、シリコン層２０の上面からレーザアニールする深さは、後にＰＮ接合を形成して温度モニタ素子２として機能し得るよう設定されるが、温度モニタ素子２の電流経路はその表面（上面）近傍が大部分を占めると考えられるため、シリコン層２０の厚さ方向全てを再結晶化させなくとも、電機特性のバラツキを低く抑えることができる。

続いて、図６に示すように、シリコン層２０に内に不純物をイオン注入し、その後、熱処理してイオン注入された不純物を活性化させる。なお、この実施の形態においても、上述した実施の形態の第２の例のように、最初にポリシリコンにより構成されたシリコン層２０内に不純物をイオン注入し（図６を参照）、その後レーザアニールして（図５を参照）シリコン層２０のイオン注入された不純物の活性化と再結晶化とを同時に行うこともできる。

次に、本発明のさらに別の実施の形態を図８〜図１１に基づいて説明する。なお、この実施の形態においては、上述した実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとする。
この実施の形態においては、最初に、図８に示すように、半導体素子１の酸化膜などによる絶縁層１７は、活性化領域１１近傍のシリコン層２０を形成する部分１７ａが、他の部分と比較して厚く形成されている。このように、絶縁層１７を部分的に厚く形成するためには、酸化膜により構成する場合にはかかる厚く形成する部分１７ａの酸化時間を長く設定し、また、ＣＶＤによりかかる部分１７ａに絶縁性材料を厚く堆積させる。

次に、上述した実施の形態と同様に、図９に示すように、絶縁層１７の厚く形成された部分１７ａにポリシリコンをＣＶＤなどにより堆積してシリコン層２０を形成する工程を行い、図１０に示すように、形成されたシリコン層２０のみにレーザビームを照射してレーザアニールを行い、ポリシリコンを再結晶化させて単結晶のシリコン層２０とする。このとき、レーザアニールは、シリコン層２０の絶縁層１７との界面近傍の部分まで行われる。しかしながら、この実施の形態ではレーザアニールされるシリコン層２０が絶縁層１７の充分に厚く形勢された部分１７ａに堆積されているので、半導体素子１がレーザアニールによる熱の影響を受けることを確実に回避することができる。

続いて、図１１に示すように、シリコン層２０に内に不純物をイオン注入し、その後、熱処理してイオン注入された不純物を活性化させる。なお、この実施の形態においても、上述した実施の形態の第２の例のように、最初にポリシリコンにより構成されたシリコン層２０内に不純物をイオン注入し（図１１を参照）、その後レーザアニールして（図１０を参照）シリコン層２０のイオン注入された不純物の活性化と再結晶化とを同時に行うこともできる。
本発明は、半導体素子１の活性化領域１１の周囲に温度モニタ素子２を設けることに限定されることなく、たとえば複数のゲート電極１３の間など、活性化領域１１の表面に設けることもできる。

本発明の半導体装置の製造方法を説明するために、半導体素子の絶縁層の表面にポリシリコンを堆積してシリコン層を形成した状態を示す断面図である。レーザアニールによりシリコン層を局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程を説明するために示した断面図である。シリコン層に不純物を注入してＰＮ接合を形成する工程を説明するために示した断面図である。本発明の半導体装置の製造方法の別の実施の形態を説明するために、半導体素子の絶縁層の表面にポリシリコンを堆積してシリコン層を形成した状態を示す断面図である。シリコン層を所定の深さでレーザアニールにより局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程を説明するために示した断面図である。シリコン層に不純物を注入してＰＮ接合を形成する工程を説明するために示した断面図である。レーザのエネルギの大きさと、シリコン層の溶融され再結晶化される深さとの関係を示したグラフである。本発明の半導体装置の製造方法のさらに別の実施の形態を説明するために、半導体素子の絶縁層を部分的に厚く形成した状態を示す断面図である。半導体素子の絶縁層の部分的に厚く形成された表面にポリシリコンを堆積してシリコン層を形成した状態を示す断面図である。シリコン層をレーザアニールにより局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程を説明するために示した断面図である。シリコン層に不純物を注入してＰＮ接合を形成する工程を説明するために示した断面図である。

符号の説明

１：半導体素子、２：温度モニタ素子、１１：活性化領域、１７：絶縁層、２０：シリコン層

Claims

電流を印加することにより発熱する半導体素子の温度を検出する温度モニタ素子を設けてなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積してシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化する熱処理工程と、
不純物を前記シリコン層に導入してＰＮ接合を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
電流を印加することにより発熱する半導体素子の温度を検出する温度モニタ素子を設けてなる半導体装置であって、前記温度モニタ素子が、
前記半導体素子の絶縁膜上に多結晶のシリコンを堆積させたシリコン層からなり、該シリコン層を局所的に熱処理して再結晶化させ、且つ、前記シリコン層に不純物を導入してＰＮ接合させたものであることを特徴とする半導体装置。