JP2008028110A

JP2008028110A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2008028110A
Application number: JP2006198409A
Authority: JP
Inventors: Akira Yanagisawa; 暁柳澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】セル部の微細化と終端部の高耐圧化とを両立可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、電流を流すセル部２と、このセル部２を囲む終端部３とからなる電力用半導体装置である。半導体装置１には、半導体基板４と、半導体基板４上に形成された絶縁膜５とが設けられている。そして、終端部３における半導体基板４の上面は、セル部２における半導体基板４の上面よりも下方にあり、終端部３における絶縁膜５の厚さは、セル部２における絶縁膜５の厚さよりも厚い。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、電流を流すセル部とこのセル部を囲む終端部とからなる半導体装置に関する。

パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電力用の半導体装置においては、例えば、半導体基板の上方及び下方に１対の主電極が設けられており、半導体基板の上面側には基板中を流れる電流を制御するためのゲート電極が設けられており、半導体基板とその上の主電極との間には、これらを相互に絶縁する絶縁膜が設けられている。また、半導体基板の中央領域は電流を流すセル部となっており、半導体基板の周辺領域はセル部を囲む終端部となっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、セル部においては、ゲート電極の配列ピッチを短くして抵抗を低減するために、絶縁膜は薄く設定されている。一方、終端部においては、耐圧を確保するために、絶縁膜は厚く設定されている。このため、セル部と終端部との境界において、絶縁膜の上面には段差が存在する。

近年、このような電力用の半導体装置により多くの電流を流すために、ゲート電極の配列ピッチをより短くすることが求められている。このため、例えば、このような半導体装置に関しては、従来の半導体装置のリソグラフィに用いられてきたｉ線ステッパに替えて、より微細な加工が可能となるＫｒＦステッパの適用も検討されている。しかしながら、上述の如く、絶縁膜の上面には段差が存在する。この段差は、ｉ線ステッパでは問題にならないが、より精度が高いＫｒＦステッパでは問題になる。すなわち、絶縁膜の上面に段差があるため、ＫｒＦステッパが要求する平面度が実現されず、微細なリソグラフィが困難である。

特開２００２−２１７４２６号公報

本発明の目的は、セル部の微細化と終端部の高耐圧化とを両立可能な半導体装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、電流を流すセル部及び前記セル部を囲む終端部からなる半導体装置であって、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、を備え、前記終端部の少なくとも一部における前記半導体基板の上面は、前記セル部における前記半導体基板の上面よりも下方にあり、前記少なくとも一部における前記絶縁膜の厚さは、前記セル部における前記絶縁膜の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明によれば、セル部の微細化と終端部の高耐圧化とを両立可能な半導体装置を実現することができる。

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。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置を例示する平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体装置１ａにおいては、電流を流すセル部２と、セル部２を囲む終端部３とが設定されている。セル部２は、半導体装置１の中央領域に配置されており、終端部３は、半導体装置１ａの周辺領域に配置されている。半導体装置１ａは、例えば縦型の電力用半導体装置であり、セル部２において電流が流れる方向は、半導体装置１ａの厚さ方向である。なお、半導体装置１ａは横型の電力用半導体装置であってもよく、この場合は、セル部２において電流が流れる方向は、半導体装置１ａの幅方向となる。

半導体装置１ａにおいては、半導体基板４と、この半導体基板４上に形成された絶縁膜５とが設けられており、終端部３の少なくとも一部における半導体基板４の上面は、セル部２における半導体基板４の上面よりも下方にあり、終端部３の少なくとも一部における絶縁膜５の厚さは、セル部２における絶縁膜５の厚さよりも厚くなっている。このため、セル部２と終端部３との間の絶縁膜５の上面の高さの差は、セル部２と終端部３との間の半導体基板４の上面の高さの差よりも小さく、例えば、終端部３における絶縁膜５の上面は、セル部２における絶縁膜５の上面と同じ高さにある。

また、半導体装置１ａにおいては、セル部２における絶縁膜５上に電極６及び制御電極８が設けられており、少なくともセル部２を含む半導体基板４の下面上に電極７が設けられている。一方、セル部２においては、半導体基板４の上層部に複数本のゲート電極９が埋設されている。ゲート電極９はその周囲をゲート絶縁膜（図示せず）に覆われており、半導体基板４から絶縁されている。また、半導体基板４におけるゲート電極８間の部分は、チャネル領域となっている。そして、このチャネル領域は、電極６の延出部６ａに接続されている。また、ゲート電極９は制御電極８に接続されており、ゲート電極９と電極６との間は、絶縁膜５により絶縁されている。

本実施形態においては、終端部３の少なくとも一部において、半導体基板４の上面がセル部２よりも下方にあり、その分、絶縁膜５が厚くなっている。これにより、少なくとも、絶縁膜５の上面における終端部３とセル部２との境界における段差は、半導体基板４の上面における段差よりは小さくなり、例えば、絶縁膜５の上面には段差が形成されなくなる。この結果、絶縁膜５の上面の全領域において平坦性を確保しつつ、セル部２においては絶縁膜５を薄くして微細構造を形成可能とすると共に、終端部３においては絶縁膜５を厚くして十分な耐圧を確保することができる。これにより、例えばＫｒＦステッパなどを利用して、微細なリソグラフィを行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置を例示する平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線による断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体装置１ｂにおいては、前述の第１の実施形態に係る半導体装置１ａ（図１参照）に対して、プラグ１０が設けられている。プラグ１０は、セル部２において絶縁膜５をその厚さ方向に貫通し、電極６を半導体基板４に接続している。そして、終端部３における絶縁膜５の上面は、プラグ１０の上面と同じ高さにある。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）においては、制御電極８（図１（ａ）参照）及びゲート電極９（図１（ｂ）参照）は、図示を省略している。

本実施形態によれば、前述の第１の実施形態の効果に加えて、電極６を半導体基板４に接続するプラグ１０を、絶縁膜５の薄い部分に形成することにより、プラグ１０を微細化しても、そのアスペクト比の増大を抑制することができる。この結果、微細なプラグ１０を容易に形成することができる。
このように、本実施形態によれば、セル部の微細化と終端部の高耐圧化とを両立可能な半導体装置を得ることができる。

以下、上述の実施形態を具現化するための具体例について説明する。
先ず、第１の具体例について説明する。
図３は、本具体例に係る半導体装置を例示する断面図であり、
図４は、図３に示す領域Ａ及び領域Ｂを拡大して例示する一部拡大断面図である。

図３及び図４に示すように、本具体例に係る半導体装置１１は、例えば、縦型の電力用ＩＧＢＴである。半導体装置１１の中央領域は電流を流すセル部１２となっており、このセル部１２を囲む周辺領域は、電流を流さない終端部１３となっている。半導体装置１１の形状は、例えば、縦が１０ミリメートル、横が１０ミリメートルの正方形の板状であり、終端部１３は、半導体装置１１の端縁から１ミリメートル以内、例えば、０．５乃至０．８ミリメートル以内の環状の領域である。

半導体装置１１においては、シリコン基板１４が設けられている。シリコン基板１４は、例えば、ｎ型の単結晶基板である。シリコン基板１４の上面のうち、終端部１３に位置する領域１４ａは、セル部１２に位置する領域１４ｂよりも低い位置にある。このため、シリコン基板１４の上面における終端部１３とセル部１２との境界には、段差１４ｃが形成されている。段差１４ｃの高さは例えば０．５乃至２ミクロンである。

また、セル部１２においては、シリコン基板１４の上層部にｐ型のベース層１５が形成されており、ベース層１５の上層部の一部には、ｎ^＋型のエミッタ層１６が形成されている。そして、シリコン基板１４の上面には、エミッタ層１６及びベース層１５を貫通するように、複数本のストライプ状のゲートトレンチ１７が、相互に平行に形成されている。ゲートトレンチ１７の内面には、シリコンの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜１８が形成されており、その内部にはポリシリコンからなるゲート電極１９が埋め込まれている。これにより、ゲート電極１９は、ゲート絶縁膜１８により、シリコン基板１４から絶縁されている。

一方、セル部１２の外周部及び終端部１３においては、シリコン基板１４の上層部に、セル部１２を囲む環状のｐ型拡散層が４本形成されており、ガードリング２０となっている。最も内周側のガードリング２０は、セル部１２から終端部１３にわたって形成されており、従って、その内部に段差１４ｃが位置している。ガードリング２０の深さは、例えば、ゲート電極１９の深さとほぼ同じである。また、シリコン基板１４の最外周部の上層部には、ＥＱＰＲ（Equivalent Potential Ring：等価電位リング）２１が形成されている。ＥＱＰＲ２１は、エミッタ層１６と同じ濃度のｎ^＋型の拡散層からなる。

また、シリコン基板１４の上方には、絶縁膜２５が設けられている。絶縁膜２５は、その位置によって厚さが異なっている。すなわち、終端部１３においては、シリコン基板１４の上面の位置がセル部１２よりも低くなっている分、絶縁膜２５の厚さはセル部１２よりも厚くなっている。これにより、絶縁膜２５の上面の位置は、セル部１２と終端部１３とでほぼ一致している。絶縁膜２５のうち厚い部分の厚さは、段差１４ｃの高さよりも大きく、例えば、０．７ミクロン以上である。また、絶縁膜２５におけるガードリング２０の直上域の一部及びＥＱＰＲ２１の直上域の一部に相当する部分には、開口部２６が形成されている。

そして、セル部１２においては、絶縁膜２５を貫通しベース層１５に到達するエミッタプラグ２７と、絶縁膜２５を貫通しゲート電極１９に到達するゲートプラグ２８とが設けられている。プラグ２７及び２８は、ゲート電極１９が延びる方向に沿ってストライプ状に延びている。上方から見て、エミッタプラグ２７及びゲートプラグ２８は交互に配列されており、セル部１２の最外周部のみ、２本のエミッタプラグ２７が連続して配置されている。プラグ２７及び２８の上面は、絶縁膜２５の上面において露出しており、従って、その高さは、終端部１３における絶縁膜２５の上面の高さと一致している。また、プラグ２７及び２８の下端部付近には、ｐ^＋型領域２９が形成されている。

また、セル部１２においては、絶縁膜２５上に層間絶縁膜３０が設けられている。層間絶縁膜３０におけるエミッタプラグ２７の直上域には開口部３１が形成されており、ゲートプラグ２８の直上域には他の開口部（図示せず）が形成されている。
更に、セル部１２において、絶縁膜２５及び層間絶縁膜３０の上方には、エミッタ電極３２及びゲート配線電極３３が設けられている。エミッタ電極３２は、層間絶縁膜３０の開口部３１内にも埋設されており、エミッタプラグ２７に接続されている。これにより、エミッタ電極３２は、エミッタプラグ２７を介してベース層１５に接続されている。一方、ゲート配線電極３３は、層間絶縁膜３０の他の開口部（図示せず）内にも形成されており、この他の開口部を介してゲートプラグ２８に接続されている。これにより、ゲート配線電極３３は、ゲートプラグ２８を介してゲート電極１９に接続されている。

一方、終端部１３においては、絶縁膜２５上であって、ガードリング２０の直上域の少なくとも一部を含む領域及びＥＱＰＲ２１の直上域の少なくとも一部を含む領域に、フィールドプレート３４が設けられている。フィールドプレート３４は、絶縁膜２５の開口部２６内にも埋設されており、これにより、ガードリング２０及びＥＱＰＲ２１に接続されている。そして、絶縁膜２５並びにエミッタ電極３２、ゲート配線電極３３及びフィールドプレート３４を覆うように、表面パッシベーション膜（図示せず）が設けられている。

次に、本具体例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図５（ａ）乃至（ｅ）、図６（ａ）乃至（ｅ）及び図７（ａ）乃至（ｅ）は、本具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図５（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗを用意する。シリコンウェーハ１４ｗは、例えば、ｎ型の単結晶ウェーハである。次に、図５（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上面に対してエッチングを施し、半導体装置１１の終端部１３（図３参照）となる予定の領域について、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分を除去する。これにより、シリコンウェーハ１４ｗの上面に凹部を形成する。この結果、シリコンウェーハ１４ｗの上面のうち、エッチングされた領域１４ａの高さがエッチングされていない領域１４ｂよりも低くなり、領域１４ａと領域１４ｂとの境界に段差１４ｃが形成される。

次に、図５（ｃ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上面に対して、リソグラフィ、インプラ（イオン注入）及び拡散の処理を施して、シリコンウェーハ１４ｗの上面におけるセル部１２の外周部から終端部１３にかけての領域に、ｐ型層からなるガードリング２０を複数本形成する。なお、図３、図５乃至図７においては、図示を簡略化するために、ガードリング２０は４本しか示されていないが、実際には、例えば３〜１０本程度のガードリングが形成される。これは、後述する他の具体例においても同様である。その後、酸化処理を施して、シリコンウェーハ１４ｗ上にシリコン酸化物からなる絶縁膜２５ａを形成する。このとき、絶縁膜２５ａの上面には、シリコンウェーハ１４ｗの段差１４ｃを反映した段差が形成される。そして、領域１４ａ上における絶縁膜２５ａの上面の高さを、領域１４ｂ上におけるシリコンウェーハ１４ｗの上面の高さと同じかそれよりも高くする。

次に、図５（ｄ）に示すように、絶縁膜２５ａの上面にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）を施して平坦化し、セル部１２（図３参照）となる予定の領域において、シリコンウェーハ１４ｗの上面を露出させる。すなわち、領域１４ｂを露出させる。次に、図５（ｅ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの領域１４ｂに対して、リソグラフィ、インプラ及び拡散処理を施して、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分にｐ型拡散領域からなるベース層１５を形成する。

次に、図６（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの領域１４ｂに複数本のゲートトレンチ１７を形成する。ゲートトレンチ１７の形状は、例えば一方向に延びるストライプ状とする。但し、ゲートトレンチの形状はストライプ状には限定されず、他の形状でもよい。次に、図６（ｂ）に示すように、全面にシリコンの熱酸化膜を形成することにより、ゲートトレンチ１７の内面上にゲート絶縁膜１８を設ける。このとき、シリコンウェーハ１４ｗ及び絶縁膜２５ａの上面にも、薄い酸化膜が形成される。

次に、図６（ｃ）に示すように、例えばＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition法：化学気相成長法）によりポリシリコンを堆積させる。その後、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching：化学的乾式エッチング）又はＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）によってエッチバックを行い、ゲートトレンチ１７の内部以外の部分に堆積したポリシリコンを除去する。これにより、ゲートトレンチ１７内にポリシリコンを埋め込む。なお、このとき、ＣＤＥ及びＲＩＥの替わりに、ＣＭＰによりポリシリコンを研削して除去してもよい。このようにして、ゲートトレンチ１７内にポリシリコンからなるゲート電極１９を形成する。

次に、図６（ｄ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上面にリソグラフィ、インプラ及び拡散処理を施して、ｎ^＋型拡散領域からなるエミッタ層１６及びＥＱＰＲ２１を形成する。次に、図６（ｅ）に示すように、絶縁膜２５ａ上に、更にシリコン酸化物からなる絶縁膜を成長させる。これにより、シリコンウェーハ１４上の全面に絶縁膜２５が形成される。

次に、図７（ａ）に示すように、領域１４ｂにおいて、絶縁膜２５の薄い部分を貫通し、ベース層１５又はゲート電極１９まで到達するように、コンタクトホール３５を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、コンタクトホール３５の底部近傍にｐ^＋型領域２９を形成する。次に、図７（ｃ）に示すように、コンタクトホール３５内に金属を埋め込み、ベース層１５に接続されたエミッタプラグ２７及びゲート電極１９に接続されたゲートプラグ２８を形成する。次に、図７（ｄ）に示すように、絶縁膜２５におけるガードリング２０の直上域の一部及びＥＱＰＲ２１の直上域の一部に開口部２６を形成する。次に、図７（ｅ）に示すように、絶縁膜２５上に層間絶縁膜３０を形成する。そして、層間絶縁膜３０におけるエミッタプラグ２７及びゲートプラグ２８の直上域を含む領域に、開口部３１を形成する。このとき、同一の開口部３１内にエミッタプラグ２７及びゲートプラグ２８の双方が含まれないようにする。

次に、図３及び図４に示すように、絶縁膜２５及び層間絶縁膜３０上に、金属層を堆積させてパターニングし、エミッタ電極３２、ゲート配線電極３３及びフィールドプレート３４を形成する。このとき、エミッタ電極３２は層間絶縁膜３０の開口部３１を介してエミッタプラグ２７に接続され、ゲート配線電極３３は他の開口部（図示せず）を介してゲートプラグ２８に接続され、フィールドプレート３４は絶縁膜２５の開口部２６を介してガードリング２０又はＥＱＰＲ２１に接続されるように、金属層をパターニングする。次に、絶縁膜２５並びにエミッタ電極３２の一部、ゲート配線電極３３及びフィールドプレート３４を覆うように、表面パッシベーション膜（図示せず）を形成する。その後、シリコンウェーハ１４ｗをダイシングして、シリコン基板１４に切り分ける。これにより、シリコンウェーハ１４ｗのエッチングされた領域１４ａが終端部１３となり、エッチングされていない領域１４ｂがセル部１２となり、半導体装置１１が完成する。

本具体例においては、図５（ｂ）に示す工程において、終端部１３におけるシリコン基板１４の上層部分を除去しているため、終端部１３におけるシリコン基板１４の上面（領域１４ａ）が、セル部１２におけるシリコン基板１４の上面（領域１４ｂ）よりも下方に位置している。また、図５（ｃ）に示す工程において、全面に均一に絶縁膜２５ａを形成した後、図５（ｄ）に示す工程において、ＣＭＰにより平坦化し、図６（ｅ）に示す工程において、絶縁膜２５を均一に厚くしているため、絶縁膜２５の上面には段差がなく平坦であり、且つ、終端部１３における絶縁膜２５の厚さは、セル部１２における絶縁膜２５の厚さよりも厚くなっている。

この結果、絶縁膜２５の上面の全領域において平坦性を確保すると共に、セル部１２における絶縁膜２５を薄くすることより、セル部１２において微細構造を形成することができる。一方、終端部１３における絶縁膜２５を厚くすることにより、終端部１３において高い耐圧性を得ることができる。例えば、本具体例においては、絶縁膜２５の上面の平坦性が高いため、半導体装置１１を形成する際に、ＫｒＦステッパを使用することができ、これにより、微細な回路パターンを形成することができる。

また、エミッタプラグ２７及びゲートプラグ２８は、絶縁膜２５の薄い部分に形成しているため、アスペクト比を大きく増加させることなく、これらのプラグを微細化することができる。これにより、形状安定性が高く、信頼性が高い微細なプラグを形成することができる。
更に、本具体例においては、ガードリング２０の深さがゲート電極１９の深さにほぼ等しいため、耐圧を安定化させることが容易である。

このように、本具体例によれば、半導体装置１１の終端部１３の耐圧を確保しつつ、セル部１２においてゲート電極等を微細化することができるため、出力電流の高密度化及び損失の低下を図ることができる。

次に、第２の具体例について説明する。
図８は、本具体例に係る半導体装置を例示する断面図であり、
図９は、図８に示す領域Ｃ及び領域Ｄを拡大して例示する一部拡大断面図である。
なお、図８及び図９において、図３及び図４に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図８及び図９に示すように、本具体例に係る半導体装置４１においては、終端部１３において、シリコン基板１４の上面に複数の凸部４２が形成されている。凸部４２は、ガードリング２０が形成されている領域の一部に形成されており、ガードリング２０に沿ってセル部１２を囲むように環状に形成されている。凸部４２の上面の高さは、セル部１２におけるシリコン基板１４の上面、すなわち、領域１４ｂの高さと等しく、領域１４ａにおける凸部４２以外の領域が、凹部となっている。

また、絶縁膜２５における凸部４２の直上域に相当する部分には、開口部２６は形成されておらず、各凸部４２あたり複数本のコンタクトプラグ４３が埋設されている。コンタクトプラグ４３は、フィールドプレート３４とガードリング２０との間に配置されており、その上端部がフィールドプレート３４に接続され、絶縁膜２５をその厚さ方向に貫通し、その下端部が凸部４２に接続されることにより、フィールドプレート３４をガードリング２０に接続するものである。

更に、シリコン基板１４におけるＥＱＰＲ２１が形成されている領域にも凸部４２が形成されており、ＥＱＰＲ２１の直上域には開口部２６が形成されておらず、絶縁膜２５内に複数本のコンタクトプラグ４３が埋設されている。これらのコンタクトプラグ４３は、フィールドプレート３４をＥＱＰＲ２１に接続するものである。各コンタクトプラグ４３の下端部付近には、ｐ^＋型領域２９が形成されている。本具体例における上記以外の構成は、前述の第１の具体例と同様である。

次に、本具体例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図１０（ａ）乃至（ｅ）、図１１（ａ）乃至（ｅ）及び図１２（ａ）乃至（ｄ）は、本具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図１０（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗを用意する。次に、図１０（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上面に対してエッチングを施し、ダイシング後に半導体装置１１の終端部１３（図８参照）となる予定の領域について、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分を除去する。このとき、終端部１３における一部の領域については、エッチングを施さずにシリコンウェーハ１４ｗの上層部分を残留させる。これにより、終端部１３に凸部４２が形成される。

以下、図１０（ｃ）乃至図１１（ｅ）に示す工程は、前述の第１の具体例における図８（ｃ）乃至図９（ｅ）に示す工程と同様である。すなわち、図１０（ｃ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分にガードリング２０を形成する。このとき、凸部４２もガードリング２０に含まれるようにする。次に、シリコンウェーハ１４ｗ上に絶縁膜２５ａを形成する。このとき、絶縁膜２５ａの上面には、シリコンウェーハ１４ｗの段差１４ｃ及び凸部４２を反映した形状が形成される。次に、図１０（ｄ）に示すように、絶縁膜２５ａの上面にＣＭＰを施して平坦化し、領域１４ｂ及び凸部４２の上面を露出させる。次に、図１０（ｅ）に示すように、セル部１２において、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分にベース層１５を形成する。

次に、図１１（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの領域１４ｂに複数本のゲートトレンチ１７を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、ゲートトレンチ１７の内面上にゲート絶縁膜１８を形成する。次に、図１１（ｃ）に示すように、ゲートトレンチ１７内にポリシリコンを埋め込んで、ゲート電極１９を形成する。次に、図１１（ｄ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分にエミッタ層１６及びＥＱＰＲ２１を形成する。次に、図１１（ｅ）に示すように、絶縁膜２５ａ上に、更に絶縁膜を成長させ、より厚い絶縁膜２５を形成する。

そして、図１２（ａ）に示すように、領域１４ｂにおいて、ベース層１５又はゲート電極１９まで到達するコンタクトホール３５を形成する。このとき、同時に領域１４ａにおいて、ガードリング２０又はＥＱＰＲ２１まで到達するコンタクトホール４５を形成する。すなわち、コンタクトホール３５及び４５は、同一のリソグラフィ工程によって形成する。コンタクトホール４５は、シリコンウェーハ１４ｗの凸部４２に到達するようにする。

次に、図１２（ｂ）に示すように、コンタクトホール３５及び４５の底部近傍にｐ^＋型領域２９を形成する。次に、図１２（ｃ）に示すように、コンタクトホール３５及び４５内に金属を埋め込み、ベース層１５に到達するエミッタプラグ２７、ゲート電極１９に到達するゲートプラグ２８、ガードリング２０に到達するコンタクトプラグ４３及びＥＱＰＲ２１に到達するコンタクトプラグ４３を形成する。

なお、前述の第１の具体例においては、この後、絶縁膜２５に、後の工程において形成するフィールドプレート３４（図３参照）をガードリング２０又はＥＱＰＲ２１に接続するために、開口部２６を形成する（図７（ｄ）参照）。しかし、本具体例においては、フィールドプレート３４とガードリング２０又はＥＱＰＲ２１との間の接続をコンタクトプラグ４３によって行うため、絶縁膜２５に開口部２６（図３参照）を形成しない。
次に、図１２（ｄ）に示すように、絶縁膜２５上に層間絶縁膜３０を形成し、開口部３１を形成する。

次に、図８及び図９に示すように、絶縁膜２５及び層間絶縁膜３０上に、金属層を堆積させてパターニングし、エミッタ電極３２、ゲート配線電極３３及びフィールドプレート３４を形成する。このとき、フィールドプレート３４はコンタクトプラグ４３を介してガードリング２０又はＥＱＰＲ２１に接続されるようにする。次に、表面パッシベーション膜（図示せず）を形成する。その後、シリコンウェーハ１４ｗをダイシングして、シリコン基板１４に切り分ける。これにより、半導体装置４１が作製される。本具体例における上記以外の製造方法は、前述の第１の具体例と同様である。

本具体例においては、図１２（ａ）乃至（ｃ）に示す工程において、セル部１２にエミッタプラグ２７及びゲートプラグ２８を形成すると同時に、終端部１３にコンタクトプラグ４３を形成し、このコンタクトプラグ４３により、フィールドプレート３４をガードリング２０又はＥＱＰＲ２１に接続する。このため、絶縁膜２５に開口部２６を形成する工程（図７（ｄ）参照）が不要となり、前述の第１の具体例と比較して、工程数を削減することができる。なお、絶縁膜２５における凸部４２の直上域に相当する部分は、その周辺の部分と比較して薄くなっており、絶縁膜２５の上面は平坦である。このため、コンタクトプラグ４３を低いアスペクト比で且つ微細に形成することができる。本具体例における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の具体例と同様である。

次に、第３の具体例について説明する。
図１３は、本具体例に係る半導体装置を例示する断面図である。
なお、図１３において、図８及び図９に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１３に示すように、本具体例に係る半導体装置５１においては、終端部１３において、絶縁膜２５内に保護素子５２が埋め込まれている。保護素子５２は、例えば、保護用のダイオードである。また、絶縁膜２５上における保護素子５２の直上域には保護素子用電極５３が設けられており、保護素子５２と保護素子用電極５３とは、絶縁膜２５を貫通する複数本の保護プラグ５４により接続されている。なお、図１３においては、保護素子用電極５３は１つしか示されていないが、保護素子５２には例えば、アノードとカソードの２つの保護素子用電極５３が接続されている。本具体例における上記以外の構成は、前述の第２の具体例と同様である。

次に、本具体例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図１４（ａ）乃至（ｅ）及び図１５（ａ）乃至（ｄ）は、本具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図１０（ａ）に示すようなシリコンウェーハ１４ｗに関して、前述の第２の具体例における図１０（ｂ）乃至図１１（ｃ）に示す工程と同様な工程を行う。すなわち、図１０（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分を選択的に除去して、終端部１３となる予定の領域に凹みを形成すると共に、凸部４２を形成する。次に、図１０（ｃ）に示すように、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分のうち、凸部４２を含む部分にガードリング２０を形成し、その後、全面に絶縁膜２５ａを形成する。次に、図１０（ｄ）に示すように、絶縁膜２５ａの上面を平坦化して、セル部１２（図１３参照）及び凸部４２においてシリコンウェーハ１４ｗを露出させ、図１０（ｅ）に示すように、セル部１２にベース層１５を形成する。次に、図１１（ａ）に示すように、セル部１２にゲートトレンチ１７を形成し、図１１（ｂ）に示すように、ゲートトレンチ１７の内面上にゲート絶縁膜１８を形成し、図１１（ｃ）に示すように、ゲートトレンチ１７内にゲート電極１９を形成する。これにより、図１４（ａ）に示すような中間構造体５６が作製される。

次に、図１４（ｂ）に示すように、絶縁膜２５ａの上層部分における保護素子５２（図１３参照）を埋設する予定の領域を選択的に除去して、絶縁膜２５ａの上面に凹部５７を形成する。次に、全面にポリシリコンを堆積させた後、ＣＭＰにより平坦化処理を施し、凹部５７内にのみポリシリコンを残留させる。これにより、図１４（ｃ）に示すように、凹部５７内にポリシリコン層５８を形成する。

次に、図１４（ｄ）に示すように、リソグラフィ及びインプラを施して、シリコンウェーハ１４ｗに選択的にＮ型不純物を導入した後、拡散処理を施して、シリコンウェーハ１４ｗの上層部分にエミッタ層１６及びＥＱＰＲ２１を形成すると共に、ポリシリコン層５８（図１４（ｃ）参照）を機能化させ、保護素子５２を形成する。次に、図１４（ｅ）に示すように、絶縁膜２５ａ上に更に酸化膜を成長させ、より厚い絶縁膜２５を形成する。これにより、保護素子５２を絶縁膜２５中に埋め込む。

次に、図１５（ａ）に示すように、絶縁膜２５の上面側から、ベース層１５又はゲート電極１９まで到達するコンタクトホール３５と、ガードリング２０又はＥＱＰＲ２１まで到達するコンタクトホール４５を形成する。このとき、同時に、保護素子５２の直上域の一部に、保護素子５２まで到達するコンタクトホール５５を形成する。すなわち、コンタクトホール３５、４５及び５５は、同一のリソグラフィ工程によって形成する。

次に、図１５（ｂ）に示すように、コンタクトホール３５、４５及び５５の底部近傍にｐ^＋型領域２９を形成する。次に、図１５（ｃ）に示すように、コンタクトホール３５、４５及び５５内に金属を埋め込み、ベース層１５に到達するエミッタプラグ２７、ゲート電極１９に到達するゲートプラグ２８、ガードリング２０に到達するコンタクトプラグ４３、ＥＱＰＲ２１に到達するコンタクトプラグ４３、保護素子５２に到達する保護プラグ５４を形成する。次に、図１５（ｄ）に示すように、絶縁膜２５上に層間絶縁膜３０を形成し、開口部３１を形成する。

次に、図１３に示すように、絶縁膜２５及び層間絶縁膜３０上に、金属層を堆積させてパターニングし、エミッタ電極３２、ゲート配線電極３３及びフィールドプレート３４を形成すると共に、保護素子用電極５３を形成する。このとき、保護素子用電極５３は、コンタクトプラグ５４を介して保護素子５２に接続されるようにする。次に、表面パッシベーション膜（図示せず）を形成する。その後、シリコンウェーハ１４ｗをダイシングして、シリコン基板１４に切り分ける。これにより、半導体装置５１が作製される。本具体例における上記以外の製造方法は、前述の第２の具体例と同様である。

本具体例によれば、半導体装置５１に保護素子５２を設ける場合に、保護素子５２を絶縁膜２５内に埋設させている。これにより、保護素子５２を絶縁膜２５上に配置する場合と比較して、半導体装置５１の上面に保護素子５２に起因する段差が発生することを防ぎ、半導体装置５１の上面を平坦化することができる。これにより、微細化プロセスの適用が可能となる。また、シリコン基板１４上に形成する多層配線層の厚さを低減することができるため、コンタクトホールのアスペクト比を小さくすることができる。更に、本具体例の製造方法によれば、例えば、ポリシリコン層５８の機能化を、エミッタ層１６及びＥＱＰＲ２１を形成する工程（図１４（ｄ）参照）において行っているため、保護素子５２を形成することによる工程数の増加を抑えることができる。

なお、本具体例においては、保護素子５２として保護用ダイオードを形成する例を示したが、本実施形態はこれに限定されず、保護素子５２は、例えば、半導体装置５１の温度を検出する温度検出用ダイオードであってもよく、半導体装置５１に流れる電流の大きさを検出する電流検出用のダイオードであってもよい。

また、本具体例においては、前述の第２の具体例と同様に、ガードリング２０及びＥＱＰＲ２１をコンタクトプラグ４３によってフィールドプレート３４に接続する例を示したが、本実施形態はこれに限定されず、例えば、前述の第１の具体例と同様に、絶縁膜２５に形成された開口部２６（図３参照）を介して、ガードリング２０及びＥＱＰＲ２１をフィールドプレート３４に接続してもよい。

次に、第４の具体例について説明する。
図１６は、本具体例に係る半導体装置を例示する断面図であり、
図１７は、図１６に示す領域Ｅを拡大して例示する一部拡大断面図である。
なお、図１６及び図１７において、図３及び図４に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１６及び図１７に示すように、本具体例に係る半導体装置６１においては、前述の第１の具体例と比較して、ゲートトレンチ１７の上部にシリコン酸化膜６２が埋め込まれている。すなわち、ゲート電極１９の上面は、シリコン基板１４の上面よりも低く、エミッタ層１６の下面よりも高い位置に位置している。また、絶縁膜２５の厚さがシリコン基板１４の段差１４ｃの高さと等しくなっている。このため、セル部１２においては、絶縁膜２５が設けられていない。

半導体装置６１においては、ゲート電極１９がゲートトレンチ１７内に完全に埋め込まれており、シリコン酸化膜６２によってエミッタ電極３２に対して絶縁されている。従って、セル部１２において絶縁膜２５が不要になる。これにより、エミッタプラグ２７及びゲートプラグ２８（図４参照）が不要になり、ベース層１５及びエミッタ層１６は、エミッタ電極３２に直接接触することにより、接続される。

本具体例によれば、絶縁膜２５の厚さが段差１４ｃの高さと等しいため、シリコン基板１４の上面及び絶縁膜２５の上面からなる平面が平坦である。また、セル部１２には絶縁膜２５が設けられていない。この結果、ＫｒＦステッパなどを利用して、セル部１２におけるシリコン基板１４の上面に、ゲートトレンチ１７を極めて微細に形成することができる。これにより、オン電流を増加させることができる。また、エミッタプラグ及びゲートプラグを省略することができる。本具体例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の具体例と同様である。

なお、本具体例においては、前述の第１の具体例と同様に、フィールドプレート３４を、絶縁膜２５の開口部２６を介してガードリング２０及びＥＱＰＲ２１に直接接続する例を示したが、前述の第２の具体例のように、フィールドプレート３４を、コンタクトプラグを介してガードリング２０及びＥＱＰＲ２１に接続してもよい。

次に、第５の具体例について説明する。
図１８は、本具体例に係る半導体装置を例示する断面図であり、
図１９は、図１８に示す領域Ｆを拡大して例示する一部拡大断面図である。
なお、図１８及び図１９において、図３及び図４に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本具体例は、本発明の実施形態をプレーナ型の電力用半導体装置に適用した例である。すなわち、図１８及び図１９に示すように、本具体例に係る半導体装置７１においては、セル部１２にゲートトレンチ１７（図４参照）が形成されておらず、ゲート絶縁膜１８及びゲート電極１９は、シリコン基板１４上に設けられている。また、ベース層１５が複数の領域に分断されており、ゲート電極１９は、ベース層１５の分断された領域間の領域の直上域を含む領域に配置されている。更に、ベース層１５におけるゲート電極１９の直下域を含む領域にはエミッタ層１６が形成されており、エミッタ層１６間には、ｐ^＋コンタクト層７２が形成されている。ｐ^＋コンタクト層７２は、エミッタ層１６の下方にも広がっている。半導体装置７１の終端部１３の構成は、前述の第１の具体例と同様である。

本具体例の効果は、前述の第１の具体例と同様である。なお、本具体例においては、前述の第１の具体例と同様に、フィールドプレート３４を、絶縁膜２５の開口部２６を介してガードリング２０及びＥＱＰＲ２１に接続する例を示したが、前述の第２の具体例のように、フィールドプレート３４を、コンタクトプラグを介してガードリング２０及びＥＱＰＲ２１に接続してもよい。

次に、本実施形態の範囲から外れる比較例について説明する。
図２０は、本比較例に係る半導体装置を示す断面図であり、
図２１は、図２０に示す領域Ｇ及び領域Ｈを拡大して示す一部拡大断面図である。
図２０及び図２１に示すように、本比較例に係る半導体装置１０１においては、シリコン基板１１４の終端部１３に対して選択的なエッチングが施されておらず、上面１１４ａは平坦である。すなわち、セル部１２におけるシリコン基板１１４の上面１１４ａと、終端部１３における上面１１４ａとが、相互に同じ高さにある。

そして、半導体装置１０１においては、終端部１３における耐圧を確保するために、絶縁膜２５の厚さをある程度厚くしており、例えば１ミクロン以上としている。絶縁膜２５に十分な耐圧性を持たせるためには、絶縁膜２５を熱酸化膜により形成することが好ましい。そして、このような厚い熱酸化膜を形成するためには、シリコンウェーハに対して高温且つ長時間の熱処理を施す必要がある。このため、通常、絶縁膜２５は、デバイス形成の初期の工程で形成される。従って、セル部を形成する工程は、絶縁膜２５の形成後に実施されることになり、セル部を形成するためには、この厚い絶縁膜２５を加工しなければならない。

しかしながら、この場合は、セル部１２に微細なプラグを形成することが困難になる。例えば、セルピッチを２ミクロンとすると、エミッタプラグ及びゲートプラグの形成ピッチは１ミクロンとなり、１本のプラグの幅は０．２乃至０．４ミクロン程度となるが、この場合、プラグの高さ、すなわち、絶縁膜２５の厚さは１ミクロン以上であるため、プラグのアスペクト比は２．５乃至５．０程度と高くなってしまう。この場合、コンタクトホールの内部に金属を安定的に埋め込むことが困難になり、信頼性が高いプラグを形成することができなくなる。

一方、終端部の絶縁膜２５を厚く保持したままセル部の絶縁膜２５を薄くしようとすると、絶縁膜２５の上面において、終端部とセル部との境界に、高さが例えば０．５乃至１．０ミクロン程度又はそれ以上の段差が形成されてしまう。この場合は、ＫｒＦステッパの適用が困難になる。

そこで、半導体装置１０１においては、絶縁膜２５に開口部２６を形成し、この開口部２６を介して、エミッタ電極３２を直接ベース層１５に接続している。しかしながら、これにより、本比較例においては、ゲート電極１９を微細化することが困難になる。このため、半導体装置１０１に流すことができる電流の大きさは、上述の本発明の実施形態の各具体例に係る半導体装置に流すことができる電流よりも小さく、半導体装置１０１に電流が流れる際の損失は、上述の各具体例に係る半導体装置における損失よりも大きい。

以上、実施形態及びその具体例を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態及び具体例には限定されない。例えば、上述の各具体例は、技術的に可能な限りにおいて、相互に組み合わせて実施することができる。また、上述の実施形態及び具体例並びにそれらを組み合わせたものに対して、当業者が適宜構成要素の追加若しくは省略又は設計変更を加えたものも、本発明の特徴部分が実施されている限り、本発明の範囲に含まれる。例えば、シリコンウェーハの上層部分を選択的に除去する手段はエッチングに限定されず、機械的な加工手段を使用してもよい。また、半導体基板はシリコン基板に限定されず、ＧａＮ基板等を使用してもよい。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を例示する平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を例示する平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線による断面図である。本実施形態の第１の具体例に係る半導体装置を例示する断面図である。図３に示す領域Ａ及び領域Ｂを拡大して例示する一部拡大断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、第１の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、第１の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、第１の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。第２の具体例に係る半導体装置を例示する断面図である。図８に示す領域Ｃ及び領域Ｄを拡大して例示する一部拡大断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、第２の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、第２の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。（ａ）乃至（ｄ）は、第２の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。第３の具体例に係る半導体装置を例示する断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、第３の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。（ａ）乃至（ｄ）は、第３の具体例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。第４の具体例に係る半導体装置を例示する断面図である。図１６に示す領域Ｅを拡大して例示する一部拡大断面図である。第５の具体例に係る半導体装置を例示する断面図である。図１８に示す領域Ｆを拡大して例示する一部拡大断面図である。比較例に係る半導体装置を示す断面図である。図２０に示す領域Ｇ及び領域Ｈを拡大して示す一部拡大断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ半導体装置、２セル部、３終端部、４半導体基板、５絶縁膜、６、７電極、６ａ延出部、８制御電極、９ゲート電極、１０プラグ、１１、４１、５１、６１、７１、１０１半導体装置、１２セル部、１３終端部、１４、１１４シリコン基板、１４ａ、１４ｂ領域、１４ｃ段差、１４ｗシリコンウェーハ、１５ベース層、１６エミッタ層、１７ゲートトレンチ、１８ゲート絶縁膜、１９ゲート電極、２０ガードリング、２１ＥＱＰＲ、２５、２５ａ絶縁膜、２６開口部、２７エミッタプラグ、２８ゲートプラグ、２９ｐ^＋型領域、３０層間絶縁膜、３１開口部、３２エミッタ電極、３３ゲート配線電極、３４フィールドプレート、３５、４５、５５コンタクトホール、４２凸部、４３コンタクトプラグ、５２保護素子、５３保護素子用電極、５４保護プラグ、５６中間構造体、５７凹部、５８ポリシリコン層、６２シリコン酸化膜、７２ｐ^＋コンタクト層、１１４ａ上面、Ａ〜Ｈ領域

Claims

電流を流すセル部及び前記セル部を囲む終端部からなる半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
を備え、
前記終端部の少なくとも一部における前記半導体基板の上面は、前記セル部における前記半導体基板の上面よりも下方にあり、前記少なくとも一部における前記絶縁膜の厚さは、前記セル部における前記絶縁膜の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体装置。
前記終端部における前記絶縁膜の上面は、前記セル部における前記絶縁膜の上面と同じ高さにあることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記セル部における前記絶縁膜上に設けられた電極と、
前記セル部において前記絶縁膜をその厚さ方向に貫通し、前記電極を前記半導体基板に接続するプラグと、
をさらに備え、
前記終端部における前記絶縁膜の上面は、前記プラグの上面と同じ高さにあることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記終端部における前記半導体基板の上層部分に形成されたガードリングと、
前記絶縁膜上における前記ガードリングの直上域の少なくとも一部を含む領域に設けられた電極と、
前記ガードリングの直上域において前記絶縁膜をその厚さ方向に貫通し、前記電極を前記ガードリングに接続するコンタクトプラグと、
をさらに備え、
前記半導体基板の上面における前記ガードリングが形成されている領域の少なくとも一部に凸部が形成されており、前記コンタクトプラグは前記凸部に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
保護素子をさらに備え、
前記保護素子は前記終端部における前記絶縁膜中に埋設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。