JP2011035322A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。特に、高耐圧、大電流用に使用される、炭化硅素からなるパワー半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a power semiconductor device made of silicon carbide used for high breakdown voltage and large current.
パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている。従来は、シリコン(Si)基板を用いたパワー半導体デバイスが主流であったが、近年、炭化硅素(SiC)基板を用いたパワー半導体デバイスが注目され、開発が進められている(例えば、特許文献1〜4など参照)。 A power semiconductor device is a semiconductor element that is used for a purpose of flowing a large current with a high breakdown voltage, and is desired to have a low loss. Conventionally, power semiconductor devices using silicon (Si) substrates have been mainstream, but in recent years, power semiconductor devices using silicon carbide (SiC) substrates have attracted attention and are being developed (for example, patent documents). 1-4).
炭化硅素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて材料自体の絶縁破壊電圧が一桁高いので、pn接合部やショットキー接合部における空乏層を薄くしても逆耐圧を維持することができるという特徴を有している。そこで、SiCを用いると、デバイスの厚さを薄くすることができ、また、ドーピング濃度を高めることができる。そのため、SiCは、オン抵抗が低く、高耐圧で低損失のパワー半導体デバイスを実現するための材料として期待されている。 Since silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown voltage that is an order of magnitude higher than that of silicon (Si), the reverse breakdown voltage can be maintained even if the depletion layer at the pn junction or the Schottky junction is thinned. It has the characteristics. Therefore, when SiC is used, the thickness of the device can be reduced and the doping concentration can be increased. Therefore, SiC is expected as a material for realizing a power semiconductor device with low on-resistance, high breakdown voltage, and low loss.
図8は、炭化珪素基板上に形成された従来の縦型DMOSFET(Double Diffused MOSFET)構造の半導体素子を模式的に示す断面図である。図8のDMOSFETには、縦型DMOSFET構造であるパワーMOSFET素子領域Reと、FLR構造の半導体ガードリング領域Rtとが規定されている。基板に垂直な方向から見て、半導体ガードリング領域Rtは、パワーMOSFET素子領域Reを囲む領域に形成されている。 FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device having a conventional vertical DMOSFET (Double Diffused MOSFET) structure formed on a silicon carbide substrate. In the DMOSFET of FIG. 8, a power MOSFET element region Re having a vertical DMOSFET structure and a semiconductor guard ring region Rt having an FLR structure are defined. When viewed from the direction perpendicular to the substrate, the semiconductor guard ring region Rt is formed in a region surrounding the power MOSFET element region Re.
従来の半導体素子は、六方晶系炭化硅素からなる第1導電型の炭化珪素基板101と、炭化珪素基板101の主面上に形成され、炭化珪素基板101よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化珪素バッファ層102と、炭化珪素バッファ層102の主面上に形成され、炭化珪素バッファ層102よりさらに低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化珪素ドリフトエピ層103とを備える。炭化珪素ドリフトエピ層103の表層には、イオン注入法や拡散法を行うことにより設けられた第2導電型のウェル領域104と、ウェル領域104の内部に設けられた第1導電型のソース領域105および第2導電型のボディコンタクト領域106とが設けられている。
A conventional semiconductor element includes a first conductivity type
2つのウェル領域104に挟まれた炭化珪素ドリフトエピ層103の上には、チャネルエピ層107が設けられている。チャネルエピ層107の上には、ゲート絶縁膜108およびゲート電極109が設けられている。
A
ゲート電極109およびゲート絶縁膜108の上は、層間絶縁膜110によって覆われている。ソース領域105およびボディコンタクト領域106の上にはソース・オーミック電極115が形成され、ゲート電極109の一部の上には、ゲート・オーミック電極116aが形成されている。炭化珪素基板101の裏面上にはドレイン・オーミック電極112および裏面電極113が形成されている。ソース・オーミック電極115、ゲート・オーミック電極116aおよび層間絶縁膜110の上にはパッド用電極116が形成され、パッド用電極116の上の一部には保護絶縁膜117が形成されている。
The
従来の縦型DMOSFET構造の半導体素子の場合、半導体基板の厚さ方向に電流を流す際のオン抵抗のうち、基板部分の抵抗成分が無視できない。炭化珪素基板101の厚さは例えば250〜350μmであり、炭化珪素基板101が第1導電型の不純物を高濃度(例えば、8E18cm-3)で含む場合の抵抗率を約0.02Ωcmとすると、炭化珪素基板101の抵抗成分は約0.5〜0.7mΩcm2となる。ここで、8E18cm-3は、8×1018cm-3の意味であり、以下、本明細書では、濃度については同様の表記を行う場合がある。
In the case of a conventional semiconductor device having a vertical DMOSFET structure, the resistance component of the substrate portion is not negligible among the on-resistances when current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate. The thickness of the
仮に、600V耐圧設計の縦型DMOSFETのオン抵抗を3mΩcm2とすると、全体のオン抵抗に対する炭化珪素基板101の抵抗成分は約17〜23%と大きな割合を占める。さらなるデバイスの低損失化を実現するためには、炭化珪素基板101の抵抗成分の低減が重要となる。
Assuming that the on-resistance of the vertical DMOSFET designed for 600 V withstand voltage is 3 mΩcm 2 , the resistance component of
以下、本願発明者が特許文献5から7について検討した内容について説明する。 Hereafter, the content which this inventor examined about patent documents 5-7 is demonstrated.
特許文献5には、デバイスのオン抵抗低減のため、炭化珪素のC面(表面)にショットキー電極、Si面(裏面)にオーミック電極を有するショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)を形成する方法が開示されている。Si面上には高温処理をしなくてもオーミック電極を形成しやすいため、この方法によると、炭化珪素基板を200μm以下まで薄くした後に、Si面のオーミック接合を低温(300℃、5分)で実現することができる。しかしながら、この方法をMOSFET型の素子に適用した場合、C面上にチャネル移動度の高い熱酸化膜を形成することは容易でない。
In
シリコン基板では、裏面を研磨・平坦化することによって、厚さを数10μmオーダーまで加工する技術が実用化されている。それに対して、炭化珪素基板を均一にかつ高歩留で、機械的強度を維持した状態で、研磨・平坦化するのは容易ではない。さらに、炭化珪素基板を平坦化した後に、裏面に低抵抗なオーミック電極を形成するためには、1000℃前後の高温熱処理が必要であり、表面電極形成後、このような製法を実施することは困難である。 For silicon substrates, a technology for processing the thickness to the order of several tens of micrometers by polishing and flattening the back surface has been put into practical use. On the other hand, it is not easy to polish and planarize the silicon carbide substrate in a state where the silicon carbide substrate is uniformly and at a high yield and the mechanical strength is maintained. Furthermore, in order to form a low-resistance ohmic electrode on the back surface after planarizing the silicon carbide substrate, a high-temperature heat treatment at around 1000 ° C. is necessary. Have difficulty.
特許文献6には、デバイスのオン抵抗低減のため、サンドブラスト法等により炭化珪素基板の一部を部分的に薄膜化する方法が開示されている。しかしながら、このような半導体素子を平坦な金属製リードフレームに実装した場合、薄膜化された部分とリードフレームとの間に空間が配置され、パッケージ実装状態での熱抵抗(θj−c)は大幅に増加してしまうことが予想される。SiCは耐熱性が高く、高温でも動作できるという特性を有する。このようなSiCの材料的優位性を活かすためには、パッケージ実装状態での熱抵抗は小さいほど有利となる。このように、SiCデバイスでは、オン抵抗だけでなく、熱抵抗も同時に低減することが非常に重要である。
特許文献7の図58には、基板裏面に凹部および凸部が形成され、凹部内がAlやCuといった導体で埋め込まれた構成が示されている。しかし、特許文献7に開示された半導体装置では、導体は凹部内のみに埋め込まれており、凸部の頂面上はオーミック電極が露出した状態になっているため、熱抵抗を十分に低減することができないと考えられる。
FIG. 58 of
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、機械的強度やチップ・クラックによる歩留の低下を抑制し、オン抵抗やパッケージ実装状態における熱抵抗が低い半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is to suppress a decrease in yield due to mechanical strength and chip cracks, and a semiconductor with low on-resistance and thermal resistance in a packaged state. It is to provide an apparatus and a method for manufacturing the same.
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成された半導体層と、前記半導体基板の裏面上に形成されたオーミック電極と、前記オーミック電極を介して前記半導体基板の前記裏面上に形成され、前記半導体基板よりも熱伝導率の高い金属材料からなる裏面電極とを備え、前記半導体基板の裏面の一部には凹部が形成され、前記裏面電極は、前記オーミック電極を介して、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部を埋め、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部以外の領域の少なくとも一部を覆っている。 The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate, an ohmic electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate via the ohmic electrode. A back electrode made of a metal material having a higher thermal conductivity than the semiconductor substrate, a recess is formed in a part of the back surface of the semiconductor substrate, and the back electrode is the ohmic electrode And filling the inside of the concave portion on the back surface of the semiconductor substrate and covering at least a part of the region other than the concave portion on the back surface of the semiconductor substrate.
ある実施形態において、前記金属材料の熱伝導率は350W/(m・K)以上である。 In one embodiment, the metal material has a thermal conductivity of 350 W / (m · K) or more.
ある実施形態において、前記凹部の角部は丸みを帯びた形状を有する。 In one embodiment, the corner of the recess has a rounded shape.
ある実施形態において、前記裏面電極は、銀もしくは銅からなる群より選択された材料からなる。 In one embodiment, the back electrode is made of a material selected from the group consisting of silver or copper.
ある実施形態において、前記オーミック電極は、ニッケルとシリコンと炭素の合金層またはチタンとシリコンと炭素の合金層からなる。 In one embodiment, the ohmic electrode comprises an alloy layer of nickel, silicon, and carbon or an alloy layer of titanium, silicon, and carbon.
ある実施形態において、前記凹部は、前記半導体基板の外周から100μm以内の領域には形成されない。 In one embodiment, the recess is not formed in a region within 100 μm from the outer periphery of the semiconductor substrate.
ある実施形態では、前記半導体基板の裏面において前記裏面電極が形成される領域のうち、前記凹部が形成される領域の占める面積は、50%以上である。 In one embodiment, the area occupied by the region where the recess is formed in the region where the back electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate is 50% or more.
ある実施形態では、前記半導体基板において前記凹部以外の領域の厚さは300μm以上であり、前記凹部の深さは200μm以上である。 In one embodiment, the thickness of the region other than the recess in the semiconductor substrate is 300 μm or more, and the depth of the recess is 200 μm or more.
ある実施形態において、前記半導体層は、半導体素子が配置される半導体素子領域と、前記半導体素子領域の周囲を囲むガードリング領域とを備える。 In one embodiment, the semiconductor layer includes a semiconductor element region in which a semiconductor element is disposed and a guard ring region surrounding the semiconductor element region.
ある実施形態では、前記半導体層における前記半導体素子領域にはpn接合型ダイオードの少なくとも一部が形成されている。
ある実施形態では、前記半導体層における前記半導体素子領域にはショットキー接合型ダイオードの少なくとも一部が形成されている。
In one embodiment, at least a part of a pn junction diode is formed in the semiconductor element region of the semiconductor layer.
In one embodiment, at least a part of a Schottky junction diode is formed in the semiconductor element region of the semiconductor layer.
ある実施形態では、前記半導体層における前記半導体素子領域にはMISFETの少なくとも一部が形成されている。 In one embodiment, at least a part of a MISFET is formed in the semiconductor element region in the semiconductor layer.
ある実施形態では、前記半導体層における前記半導体素子領域にはJFETの少なくとも一部が形成されている。 In one embodiment, at least a part of a JFET is formed in the semiconductor element region in the semiconductor layer.
ある実施形態において、前記半導体層の主面側には電極が設けられ、前記電極と前記裏面電極との間には電流が流れる。 In one embodiment, an electrode is provided on the main surface side of the semiconductor layer, and a current flows between the electrode and the back electrode.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成された半導体層と、前記半導体基板の裏面上に形成された第1のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極を介して前記半導体基板の前記裏面上に形成された裏面電極とを有する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板における前記裏面の一部に、凹部を形成する工程(a)と、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部と、前記半導体基板の前記裏面において前記凹部以外の領域の少なくとも一部とを覆う第1の金属層を形成する工程(b)と、前記第1の金属層を介して、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部を埋め、前記半導体基板の前記裏面において前記凹部以外の領域の少なくとも一部を覆う前記裏面電極を、前記半導体基板よりも熱伝導率の高い金属材料を用いて形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、第1の熱処理によって前記第1の金属層と前記半導体基板との間にオーミック接合を形成することにより前記第1のオーミック電極を形成する工程(d)とを包含する。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed on a main surface of the semiconductor substrate, a first ohmic electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate, and the first A method of manufacturing a semiconductor device having a back electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate via an ohmic electrode, the step (a) of forming a recess in a part of the back surface of the semiconductor substrate; (B) forming a first metal layer covering the inside of the recess on the back surface of the semiconductor substrate and at least a part of a region other than the recess on the back surface of the semiconductor substrate; Through the metal layer, the back electrode that fills the inside of the recess on the back surface of the semiconductor substrate and covers at least a part of the region other than the recess on the back surface of the semiconductor substrate, A step (c) of forming using a metal material having a higher thermal conductivity than the semiconductor substrate, and an ohmic between the first metal layer and the semiconductor substrate by a first heat treatment after the step (c). And (d) forming the first ohmic electrode by forming a junction.
ある実施形態において、前記工程(c)は、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部を埋め、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部以外の領域の少なくとも一部を覆う第2の金属層を形成した後、前記第2の金属層を研磨することにより前記裏面電極を形成する。 In one embodiment, the step (c) includes a second metal layer filling the inside of the recess on the back surface of the semiconductor substrate and covering at least a part of the region other than the recess on the back surface of the semiconductor substrate. After the formation, the back electrode is formed by polishing the second metal layer.
ある実施形態において、前記工程(a)はサンドブラスト法またはドライエッチングによって前記凹部を形成する。 In a certain embodiment, the said process (a) forms the said recessed part by a sandblasting method or dry etching.
ある実施形態において、前記工程(b)は、前記第1の金属層を蒸着またはスパッタリングによって形成し、前記工程(c)は、前記第2の金属層をめっきにより形成する。 In one embodiment, the step (b) forms the first metal layer by vapor deposition or sputtering, and the step (c) forms the second metal layer by plating.
ある実施形態において、前記工程(c)の後に、前記半導体層の前記主面上に第3の金属層を形成した後に第2の熱処理を行うことにより第2のオーミック電極を形成する工程(e)と、前記第2のオーミック電極と外部との間の電気的接続のためのパッド用電極を形成する工程(f)とをさらに含む。 In one embodiment, after the step (c), a second ohmic electrode is formed by performing a second heat treatment after forming a third metal layer on the main surface of the semiconductor layer (e And a step (f) of forming a pad electrode for electrical connection between the second ohmic electrode and the outside.
ある実施形態において、前記工程(a)は丸みを帯びた角部を有する前記凹部を形成する。 In a certain embodiment, the said process (a) forms the said recessed part which has a rounded corner | angular part.
ある実施形態において、前記工程(c)および工程(e)は、窒素ガスまたはアルゴンガスを含む雰囲気中で行う。 In one embodiment, the step (c) and the step (e) are performed in an atmosphere containing nitrogen gas or argon gas.
ある実施形態では、前記工程(d)における前記第1の熱処理および前記工程(e)における前記第2の熱処理は、800℃以上950℃以下温度で行う。
ある実施形態では、前記工程(c)における前記研磨は、化学的機械的研磨または機械的研磨である。
In one embodiment, the first heat treatment in the step (d) and the second heat treatment in the step (e) are performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower.
In one embodiment, the polishing in the step (c) is chemical mechanical polishing or mechanical polishing.
本発明によると、半導体基板の裏面に凹部を設け、凹部を半導体基板よりも抵抗の低い裏面電極によって埋めることにより、縦型半導体素子の基板部分の抵抗成分を低減することができるため、オン抵抗を低減することができる。さらに、裏面電極の熱伝導率は半導体基板よりも高いため、パッケージ実装状態での熱抵抗を低減することができる。これにより、高温使用でも低損失かつ安定なデバイス特性を実現することができる。 According to the present invention, the resistance component of the substrate portion of the vertical semiconductor element can be reduced by providing the recess on the back surface of the semiconductor substrate and filling the recess with the back electrode having a lower resistance than the semiconductor substrate. Can be reduced. Furthermore, since the thermal conductivity of the back electrode is higher than that of the semiconductor substrate, the thermal resistance in the package mounted state can be reduced. Thereby, low-loss and stable device characteristics can be realized even when used at high temperatures.
また、裏面電極が、半導体基板の裏面において凹部以外の領域も覆っていることにより、半導体基板の機械的強度を高く保つことができる。これにより、チップ・クラックによる歩留の低下を回避することができる。また、裏面電極が、半導体基板の裏面において凹部以外の領域も覆っていることにより、裏面電極の放熱性をさらに向上させることができる。 Moreover, the mechanical strength of the semiconductor substrate can be kept high because the back electrode covers the region other than the concave portion on the back surface of the semiconductor substrate. Thereby, the fall of the yield by a chip crack can be avoided. Moreover, the heat dissipation of the back electrode can be further improved by covering the region other than the recesses on the back surface of the semiconductor substrate.
以下、図面を参照しながら、本発明による半導体装置の実施形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, components having substantially the same function are denoted by the same reference numerals for the sake of brevity. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
図1は、第1の実施形態の半導体装置を模式的に示す断面図である。図1に示す半導体装置には、縦型DMOSFET構造であるDMOSFET領域Reと、FLR構造の半導体ガードリング領域Rtとが規定されている。基板に垂直な方向から見て、半導体ガードリング領域Rtは、DMOSFET領域Reを囲む領域に形成されている。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device of the first embodiment. In the semiconductor device shown in FIG. 1, a DMOSFET region Re having a vertical DMOSFET structure and a semiconductor guard ring region Rt having an FLR structure are defined. When viewed from the direction perpendicular to the substrate, the semiconductor guard ring region Rt is formed in a region surrounding the DMOSFET region Re.
本実施形態の半導体装置は、六方晶系炭化硅素からなる第1導電型の炭化珪素基板1と、炭化珪素基板1の主面上に形成され、炭化珪素基板1よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化珪素バッファ層2と、炭化珪素バッファ層2の主面上に形成され、炭化珪素バッファ層2よりさらに低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化珪素ドリフトエピ層3とを備える。
The semiconductor device of the present embodiment includes a first conductivity type
DMOSFET領域Reにおける炭化珪素ドリフトエピ層3の表層には、第2導電型のウェル領域4と、第1導電型のソース領域5と、第2導電型のボディコンタクト領域6とが設けられている。ソース領域5およびボディコンタクト領域6はウェル領域4の内部に設けられ、基板に垂直な方向から見て、ソース領域5はボディコンタクト領域6の周囲を囲んでいる。
In the surface layer of the silicon carbide
ボディコンタクト領域6と、その周囲に位置するソース領域5との上には、ソース・オーミック電極15が設けられている。ソース・オーミック電極15は、例えば、ニッケルとシリコンと炭素の合金層またはチタンとシリコンと炭素の合金層から構成されている。
A source /
半導体ガードリング領域Rtにおける炭化珪素ドリフトエピ層3の表層には、第2導電型の半導体リング4aが複数本設けられている。
A plurality of second-conductivity-type semiconductor rings 4a are provided on the surface layer of the silicon carbide
DMOSFET領域Reにおいて、2つのウェル領域4に挟まれる炭化珪素ドリフトエピ層3と、その両側のウェル領域4およびソース領域5との上には、炭化珪素からなるチャネルエピ層7が形成されている。チャネルエピ層7のうち、ウェル領域4上に位置する部分はMOSFETのチャネルとして機能する。
In DMOSFET region Re,
チャネルエピ層7の上には、例えばシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜8が形成されている。ゲート絶縁膜8の上には、例えばポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。ゲート電極9のうちの一部の上にはゲート・オーミック電極16aが設けられている。
ゲート・オーミック電極16aは、例えばニッケルとシリコンとの合金層またはチタンとシリコンとの合金層から構成されている。ゲート電極9およびゲート絶縁膜8の上は層間絶縁膜10によって覆われている。
On the
The
層間絶縁膜10には、ソース・オーミック電極15を露出させる開口10aと、ゲート・オーミック電極16aを露出させる開口10bとが設けられている。層間絶縁膜10の上はパッド用電極16によって覆われており、パッド電極用16は、開口10a、10b内において、ソース・オーミック電極15およびゲート・オーミック電極16aと接触している。パッド用電極16は、例えば、アルミニウムまたは銅とその合金層から構成されている。
The
DMOSFET領域Reにおける炭化珪素基板1の裏面には凹部1aが設けられている。炭化珪素基板1の裏面における凹部1aの内側と炭化珪素基板1の裏面における凹部1a以外の領域はドレイン・オーミック電極12によって覆われている。ドレイン・オーミック電極12は、例えば、ニッケルとシリコンと炭素の合金層またはチタンとシリコンと炭素の合金層である。
A
炭化珪素基板1の裏面における凹部1aの内側と炭化珪素基板1の裏面における凹部1a以外の領域は、ドレイン・オーミック電極12を介して、裏面(ドレイン)電極13によって覆われている。裏面電極13は、炭化珪素よりも熱伝導率が高く、熱伝導率が350W/(m・K)以上の金属材料から構成されている。具体的には、裏面電極13は、例えば銀もしくは銅からなる群より選択された材料であることが好ましい。裏面電極13がこれらの材料から構成される場合には、基板部分における熱抵抗が低減され、さらに、SiCチップをパッケージに実装する際のはんだ付けを容易にすることができる。
The inside of the
裏面電極13のうち凹部1aを覆う部分の厚さは、凹部1aの深さ(より正確には、凹部1aの深さからドレイン・オーミック電極12の厚さを減じた値)よりも大きいことが好ましい。裏面電極13がこのように厚く設けられていることにより、裏面電極13のうち凹部1aを覆う部分の下面は、凹部1aの下側(裏面側)の端部よりも下に配置される。そのため、裏面電極13のうち凹部1aを覆う部分と裏面電極13のうち凹部1a以外の領域を覆う部分とを平坦にすることができる。例えば凹部1aの深さが200μmである場合、その凹部1aを覆うドレイン・オーミック電極12の厚さは0.2μmと、裏面電極13の厚さは250μmとすればよい。一方、裏面電極13のうち凹部1a以外の領域の炭化珪素基板1を覆う部分の厚さは49.8μmとすればよい。裏面電極13を、凹部1aの内部だけではなく、凹部1a以外の領域にも形成することにより、チップの裏面全体を1枚の裏面電極13によって覆うことができるため、放熱性が向上する。ただし、裏面電極13は、チップの裏面において途切れていてもよい。
The thickness of the portion of the
パッケージ実装の際のダイシング工程におけるチッピング(チップ・クラック)防止のため、凹部1aは、半導体装置(ダイシング後のチップ)の外周部から100μm以内の領域には配置させない方が好ましい。この領域に凹部1aを形成しないことによって、チップの機械的強度の低下を抑制することができる。
In order to prevent chipping (chip cracks) in the dicing process during package mounting, it is preferable not to place the
また、裏面電極13は、半導体装置の裏面の面積全体の少なくとも50%以上の面積に設けられていることが好ましい。かつ、裏面電極13のうち凹部1aを覆う部分は200μm以上の厚さを有することが好ましい。この条件が満たされる場合、オン抵抗およびパッケージ実装状態での熱抵抗が十分に低減される。
Moreover, it is preferable that the
さらに、凹部1aの角部は丸みを帯びた形状(ラウンド形状またはテーパー形状)を有していることが好ましい。凹部1aの角部がラウンド形状を有していることにより、角部への応力の集中を抑制することができる。
Furthermore, it is preferable that the corner | angular part of the recessed
本実施形態の一例においては、第1導電型はn型であり、図1に示した例では、炭化珪素基板1はn型SiC半導体基板(n+SiC基板)であり、炭化珪素バッファ層2はn-層、炭化珪素ドリフトエピ層3はn--層である。また、ウェル領域4はp-層、ソース領域5はn+層、ボディコンタクト領域6はp+層である。なお、「+」、「−」などは、n型またはp型の相対的なドーパントの濃度を表記した符号である。
In one example of the present embodiment, the first conductivity type is n-type. In the example shown in FIG. 1, the
本実施形態のチャネルエピ層7は、絶縁層(または実質的に絶縁層)であり、「i層」または「チャネルエピi層」と称する場合もある。ただし、チャネルエピ層7は、低濃度の第1導電型(n-)の層であってもよいし、さらには、チャネルエピ層7は、深さ方向に濃度の変化を有していてもよい。
The
炭化珪素基板1の厚さは、例えば250〜350μmであり、n+SiC基板10の濃度は、例えば、8E18cm-3ある。なお、炭化珪素基板1として、立方晶系炭化硅素からなる基板を用いることもできる。機械的強度を高くするという観点からは、炭化珪素基板1の厚さは300μm以上であることが好ましい。
The thickness of the
SiCバッファ層2、SiCドリフトエピ層3は、炭化珪素基板1の主面上にエピタキシャル形成されたSiC層である。SiCバッファ層2の濃度は、例えば、6E16cm-3である。SiCドリフトエピ層3の厚さは例えば4〜15μmであり、その濃度は例えば5E15cm-3〜2E16cm-3である。
ウェル領域4の厚さ(即ち、SiCドリフトエピ層3の上面からの深さ)は、例えば0.5〜1.0μmであり、ウェル領域4の濃度は、例えば1.5E18cm-3である。また、ソース領域5の厚さ(即ち、SiCドリフトエピ層3の上面からの深さ)は、例えば0.25μmであり、ソース領域5の濃度は、例えば5E19cm-3である。そして、ボディコンタクト層(p+層)6の厚さは、例えば0.3μmであり、その濃度は、例えば2E20cm-3である。なお、DMOSFET領域Reにおけるウェル領域4間のSiCドリフトエピ層3にはJFET領域が規定されており、そのJFET領域の長さ(幅)は、例えば3μmである。
The thickness of the well region 4 (that is, the depth from the upper surface of the SiC drift epitaxial layer 3) is, for example, 0.5 to 1.0 μm, and the concentration of the
チャネルエピ層7は、SiCドリフトエピ層3上にエピタキシャル形成されたSiC層であり、チャネルエピ層3の厚さは、例えば30nm〜150nmである。チャネル領域の長さ(幅)は、例えば0.5μmである。また、ゲート絶縁膜8は、SiO2(シリコン酸化膜)からなり、その厚さは例えば70nmである。ゲート電極9は、ポリシリコンからなり、その厚さは例えば500nmである。
The
本実施形態では、炭化珪素基板1の裏面に凹部1aを設け、凹部1aを炭化珪素基板1よりも抵抗の低い裏面電極13によって埋めることにより、炭化珪素基板1の抵抗成分を従来よりも低減することができる。本実施形態のDMOSFETにおいて電流は炭化珪素基板1を縦方向に流れるため、炭化珪素基板1の抵抗成分を低減することにより、デバイス全体のオン抵抗を低減することができる。さらに、裏面電極13の熱伝導率は炭化珪素基板1よりも高いため、パッケージ実装状態での熱抵抗を低減することができる。これにより、高温使用でも低損失かつ安定なデバイス特性を実現することができる。
In the present embodiment, the
また、裏面電極13が、炭化珪素基板1の裏面において凹部1a以外の領域も覆っていることにより、炭化珪素基板1の機械的強度を高く保つことができる。これにより、チップ・クラックによる歩留の低下を回避することができる。また、裏面電極13が、炭化珪素基板1の裏面において凹部1a以外の領域も覆っていることにより、裏面電極13の放熱性をさらに向上させることができる。
Moreover, since the
図2(a)は、本実施形態の半導体装置における凹部1aの深さを変化させて室温におけるオン抵抗(Ron)の変化を計算した結果を示すグラフである。図2(a)の横軸は凹部1aの深さを示し、縦軸は、従来構造のオン抵抗Ron(3mΩcm2)を100%と設定した場合のオン抵抗の比率を示している。従来構造の耐圧(Vbd)は600Vに設計し、基板部分の抵抗成分は0.7mΩcm2と想定している。
FIG. 2A is a graph showing the result of calculating the change in on-resistance (Ron) at room temperature by changing the depth of the
本実施形態の構造では、裏面電極13の材料として銀を想定し、チップ裏面の面積の全体に対する裏面電極13の面積の割合(チップ面積比)を89%と、凹部1aの深さを100〜300μmとした。図2(a)に示すように、本実施形態の計算結果では、凹部1aの深さが大きくなるほどオン抵抗Ronの比の値が小さくなっている。凹部1aの深さが300μmのときのオン抵抗Ronの比は約83パーセントである。このように、図2(a)に示す結果では、本実施形態のオン抵抗Ronは、従来のオン抵抗に対して約17%まで低減されている。
In the structure of the present embodiment, silver is assumed as the material of the
図2(b)、(c)は、室温状態だけでなく、150℃、250℃におけるオン抵抗Ronの特性変動(温度特性)を試算した結果を示すグラフである。図2(b)は、図2(a)と同様に、耐圧(Vbd)を600Vに設計し、オン抵抗Ronを3mΩcm2(素子面積:0.11cm2のため、約27mΩ)とした場合の試算結果を示す。図2(c)は、耐圧(Vbd)を1400Vに設計し、オン抵抗Ronを5mΩcm2(素子面積:0.11cm2のため、約45mΩ)とした場合の試算結果を示す。いずれも、図2(a)と同様に、裏面電極13の材料として銀を想定し、チップ面積比を89%と、凹部1aの深さを300μmとした。デバイスのオン抵抗Ronを構成する抵抗成分は、主にドリフト抵抗からなる成分(図中で、“チャネル以外”と表記)、チャネル抵抗成分、さらに基板抵抗成分の3つに大きく分類される。チャネル以外の抵抗成分および基板抵抗成分は、おおむね“正”の温度係数を持つため、高温ほど、この部分の抵抗成分は増大してしまう。しかしながら、SiC−MOSFETの場合、熱酸化で形成された酸化膜に多くの界面準位密度(Dit)があり、チャネル移動度を低下させる要因の一つとなっている。室温状態では、このDitに多くの電子、正孔のキャリアが捕獲されているが、高温になると、捕獲されているキャリアが放出され、チャネル移動度が向上し、チャネル抵抗成分は低下するというように、“負”の温度係数を持つことが分かっている(非特許文献1)。さまざまな検討結果より、Dit=6E11〜4E13cm-2と仮定し、今回の試算を実施している。
FIGS. 2B and 2C are graphs showing the result of trial calculation of the characteristic variation (temperature characteristic) of the on-resistance Ron at 150 ° C. and 250 ° C. in addition to the room temperature state. FIG. 2B shows a case where the withstand voltage (Vbd) is designed to be 600 V and the on-resistance Ron is set to 3 mΩcm 2 (the element area is about 0.11 cm 2 , which is about 27 mΩ) as in FIG. 2A. The trial calculation results are shown. FIG. 2C shows a calculation result when the withstand voltage (Vbd) is designed to be 1400 V and the on-resistance Ron is set to 5 mΩcm 2 (element area: 0.11 cm 2 , which is about 45 mΩ). In any case, as in FIG. 2A, silver was assumed as the material of the
以上より、従来構造のSiC−MOSFETのRonは、“正”の温度係数を持つチャネル以外の抵抗成分および基板抵抗と、“負”の温度係数を持つチャネル抵抗のトレードオフ関係となることがわかる。従来構造において、基板抵抗は温度の上昇とともに増大し、高温動作時ほどオン抵抗Ron全体に対する基板抵抗の影響が大きくなっている。本実施形態では、凹部1aを裏面電極13で埋めることによって基板抵抗を従来よりも低減することにより、高温動作時には特にオン抵抗Ronの増加を抑制することができる。
From the above, it can be seen that Ron of the SiC-MOSFET having the conventional structure has a trade-off relationship between the resistance component other than the channel having the “positive” temperature coefficient and the substrate resistance and the channel resistance having the “negative” temperature coefficient. . In the conventional structure, the substrate resistance increases as the temperature rises, and the influence of the substrate resistance on the entire on-resistance Ron increases as the temperature increases. In the present embodiment, by increasing the substrate resistance by filling the
次に、パッケージ実装状態での熱抵抗(θj−c)への影響を検討した結果について説明する。ここでは、熱流体解析シミュレーションを用いて、裏面電極13の金属材料、レイアウト、厚さ(深さ)、面積比率等をパラメータとして、熱抵抗への影響について検討した。
Next, the result of studying the influence on the thermal resistance (θj−c) in the package mounting state will be described. Here, using thermal fluid analysis simulation, the influence on the thermal resistance was examined using the metal material, layout, thickness (depth), area ratio, and the like of the
図3(a)は、JEDEC基準(JESD51−6)に準拠した熱抵抗評価環境を想定した熱流体解析モデルを模式的に示す。熱流体解析モデルでは、半導体チップ21がTO−220タイプの半導体パッケージ22に実装された状態で、実装基板25上に搭載されている。半導体パッケージは、マイカ23を介して銅放熱板24に接続されている。
FIG. 3A schematically shows a thermal fluid analysis model assuming a thermal resistance evaluation environment based on the JEDEC standard (JESD51-6). In the thermal fluid analysis model, the
図3(b)は、半導体チップ21の裏面に裏面電極13をライン状に形成したレイアウトを示す平面図、図3(c)は、半導体チップ21の裏面に裏面電極13をスクエア状に形成したレイアウトを示す平面図、図3(d)は、半導体チップ21の裏面の中央部に裏面電極13を形成したレイアウトを示す平面図である。
3B is a plan view showing a layout in which the
図4(a)は、熱流体解析シミュレーションを実施することによって得られた裏面電極13の埋め込み比率と接合−ケース間熱抵抗θj−c(℃/W)の比(従来の値を100%とした場合の比の値)との関係を示すグラフである。θj−cの比の値は、半導体チップ21の裏面側の温度を発熱量で除することにより求めた。
FIG. 4A shows the ratio of the
図4(a)には、従来構造と、裏面電極13として銀、銅、鉛のそれぞれを用いた構造のシミュレーション結果が示されている。裏面電極13の凹部の深さは、全て300μmと一定の値とした。図4(a)に示すように、裏面電極13として銀または銅を用いた場合には、埋込面積比率が大きいほどθj−c比を低減できることが分かる。銀または銅を用いた場合には、埋込面積比率が約90%のときのθj−c比の値は、従来構造より約5%も低くなっている。これは、100℃付近での銀および銅の熱伝導率(Ag:約420W/(m・K)、Cu:約390W/(m・K))がSiCの熱伝導率(約290W/(m・K))に比べて大きいため、これらの金属の埋め込み面積比率が大きいほど、裏面埋込電極13部分での熱伝導性が向上し、θj−c比が低減できるためと考えられる。
FIG. 4A shows a simulation result of a conventional structure and a structure using silver, copper, and lead as the
熱伝導率がSiCよりも低い鉛(Pb:約35W/(m・K))を埋め込んだ場合のθj−c比も比較のため計算しているが、従来構造よりも19%以上θj−c比が増大してしまうことが分かった。 The θj-c ratio in the case of embedding lead (Pb: about 35 W / (m · K)) whose thermal conductivity is lower than that of SiC is also calculated for comparison, but it is 19% or more θj-c than the conventional structure. It has been found that the ratio increases.
図4(b)は、熱流体解析シミュレーションを実施することによって得られた凹部の深さと接合−ケース間熱抵抗θj−c(℃/W)の比の値との関係を示すグラフである。図4(b)は、従来構造と、半導体チップの裏面に金属が埋め込まれていない凹部(中空)を有する構造と、半導体チップの裏面に銀が埋め込まれた凹部を有する構造とのシミュレーション結果を示す。埋め込み面積比率は89%の一定の値とした。 FIG. 4B is a graph showing the relationship between the depth of the recesses obtained by performing the thermal fluid analysis simulation and the value of the ratio of the junction-case thermal resistance θj-c (° C./W). FIG. 4B shows simulation results of a conventional structure, a structure having a recess (hollow) in which metal is not embedded in the back surface of the semiconductor chip, and a structure having a recess in which silver is embedded in the back surface of the semiconductor chip. Show. The embedded area ratio was a constant value of 89%.
図4(b)に示すように、銀が埋め込まれた凹部を有する構造では、凹部の深さが大きいほどθj−c比は低減され、厚さが300μmの構造では、従来構造より約5%も低減されている。 As shown in FIG. 4 (b), in the structure having the concave portion embedded with silver, the θj-c ratio is reduced as the depth of the concave portion is increased, and in the structure having a thickness of 300 μm, it is about 5% of the conventional structure. Has also been reduced.
一方、半導体チップの裏面に金属が埋め込まれていない凹部(中空)を有する構造は、特許文献6に開示されるような構成を有しており、この半導体チップは、平坦なリードフレーム上に実装されている。中空を有する構造のθj−c比は、半導体チップの裏面に凹部を有さない従来構造のθj−cを100%とした場合、700%(7倍)以上になってしまう。このように、この構造では、オン抵抗Ronを低減することはできるものの、θj−c比は大幅に増大してしまう。パッケージ実装まで考慮した場合、特許文献6の構成は、特に高温使用状態において不利となる。
On the other hand, the structure having a recess (hollow) in which no metal is embedded on the back surface of the semiconductor chip has a configuration as disclosed in
図4(c)は、図3(b)から(d)に示すレイアウトを有する裏面電極13の埋め込み面積比率とθj−c比との関係を示すグラフである。この結果では、裏面電極13のレイアウトの違いによって、θj−cの比の値に大きな差は認められなかった。
FIG. 4C is a graph showing the relationship between the embedded area ratio of the
参考のため、図5(a)、(b)に、Siチップを用いた場合の熱流体解析シミュレーションの結果を示す。図5(a)は、裏面電極13の埋込面積比率とθj−c比との関係を、図5(b)は、凹部の深さとθj−c比との関係を示す。図5(a)、(b)に示すシミュレーションは、図3に示す熱流体解析モデルを用いて行った。図5(a)、(b)共に、半導体チップの裏面に凹部を有さない構造(従来構造)を有するSiチップと、半導体チップの裏面に凹部を有し、凹部にAgが埋め込まれた構造を有するSiチップのシミュレーション結果を示す。
For reference, FIGS. 5A and 5B show the results of thermal fluid analysis simulations when Si chips are used. 5A shows the relationship between the embedded area ratio of the
図5(a)に示すように、凹部にAgが埋め込まれた構造を有するSiチップでは、埋込面積比率が40%から90%の範囲内で、θj−c比が約85%から76%近くまで低下している。SiCチップを用いた場合には、埋込面積比率が40%から90%の範囲内のときのθj−c比は約98%から95%であるため(図4(a))、Siチップにおいて裏面電極を埋め込む場合には、SiCチップの場合よりも熱抵抗の改善効果が大きいことがわかる。 As shown in FIG. 5A, in the Si chip having a structure in which Ag is embedded in the recess, the embedded area ratio is in the range of 40% to 90%, and the θj-c ratio is about 85% to 76%. It has dropped to near. When the SiC chip is used, the θj-c ratio when the embedded area ratio is in the range of 40% to 90% is about 98% to 95% (FIG. 4A). When the back electrode is embedded, it can be seen that the effect of improving the thermal resistance is greater than that of the SiC chip.
一方、図5(b)に示すように、凹部にAgが埋め込まれた構造を有するSiチップでは、凹部の深さが100μmから300μmの範囲内で、θj−c比が約92%から76%近くまで低下している。SiCチップを用いた場合には、凹部1aの深さが100μmから300μmの範囲内のときのθj−c比は約98%から95%であるため(図4(b))、この結果からも、Siチップにおいて裏面電極を埋め込む場合には、SiCチップの場合よりも熱抵抗の改善効果が大きいことがわかる。これは、Siの熱伝導率(例えば100℃付近で約120W/(m・K))は、SiCの熱伝導率(例えば100℃付近で約280W/(m・K))よりもさらに低いため、金属を埋め込むことによる熱伝導率の向上の度合いがさらに大きいためであると考えられる。このように、Siチップに本発明を適用することも有効である。ただし、Siチップでは、裏面を数10μmオーダーまで平坦に研磨する加工技術が実用化されているのに対し、SiCではそのような技術が実用化されていない。さらに、SiC基板を平坦化した後に、裏面に低抵抗なオーミック電極を形成するためには1000℃前後の高温熱処理が必要であり、表面電極形成後、このような製法を実施することも困難である。そのため、SiCに本発明を適用する意義はより大きいと考えられる。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the Si chip having a structure in which Ag is embedded in the recess, the θj-c ratio is about 92% to 76% when the depth of the recess is in the range of 100 μm to 300 μm. It has dropped to near. When a SiC chip is used, the θj-c ratio is about 98% to 95% when the depth of the
次に、図6(a)から(d)、図7(a)から(d)を参照しながら、本実施形態の炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図6(a)から(d)、図7(a)から(d)は、本実施形態の製造方法の一部を説明するための工程断面図である。 Next, with reference to FIGS. 6A to 6D and FIGS. 7A to 7D, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of this embodiment will be described. FIGS. 6A to 6D and FIGS. 7A to 7D are process cross-sectional views for explaining a part of the manufacturing method of this embodiment.
まず、図6(a)に示すような構成を得るための製造方法を説明する。n+SiC基板1として、n型4H−SiC(0001)基板を用意する。n+SiC基板1としては、例えば、<11−20>方向に8°または4°オフカットされ、n型ドーピング濃度が1×1018cm-3〜5×1019cm-3の基板を用いる。
First, a manufacturing method for obtaining the configuration as shown in FIG. As the n + SiC substrate 1, an n-type 4H—SiC (0001) substrate is prepared. As the n + SiC substrate 1, for example, a substrate that is 8 ° or 4 ° offcut in the <11-20> direction and has an n-type doping concentration of 1 × 10 18
次いで、n+SiC基板1の主面上に、エピタキシャル成長によって、例えば不純物濃度6E16cm-3、厚さ4〜15μm程度のn-バッファ層2と、例えば不純物濃度1×1015cm-3〜1×1016cm-3、厚さ4〜15μm程度のn--ドリフトエピ層3とを続けて形成する。エピタキシャル成長時には、原料ガスとして例えばシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を、キャリアガスとして水素(H2)を、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて熱CVDを行えばよい。
Next, on the main surface of the n + SiC substrate 1, by epitaxial growth, for example, an n − buffer layer 2 having an impurity concentration of 6E16 cm −3 and a thickness of about 4 to 15 μm, and an impurity concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 1 ×, for example. forming continuously a
次に、n--ドリフトエピ層3の上に、ウェル領域4を規定する所定のマスク(例えば、酸化膜からなるマスク)を設けて、例えばAl+をイオン注入することによって、n--ドリフトエピ層3の表層に、所定の深さを有するウェル領域(p-)4を形成する。このときのイオン注入は、例えば、基板の温度を500℃に保ち、30keVから350keVの間のエネルギーで複数に分けて行う。ウェル領域4の深さは、例えば、0.5〜1.0μmである。n--ドリフトエピ層3のうち隣り合うウェル領域4の間に位置する部分の表面部が、JFET領域となる。本実施形態のJFET領域の幅は、例えば、3μmである。
Then, n - on the
次に、ソース領域5を規定する所定のマスクを設けて、ウェル領域(p-)4の表面に、N+(窒素イオン)またはP+(リンイオン)をイオン注入することによって、ソース領域(n++)5を形成する。イオン注入は、例えば、基板の温度を500℃に保ち、30keVから90keVの間のエネルギーで複数に分けて行う。ソース領域5の深さは、例えば0.25μmである。
Next, a predetermined mask for defining the
次に、ボディコンタクト領域6を規定する所定のマスクを設けて、ウェル領域(p-)4の表面に、Al+(アルミニウムイオン)またはB+(ボロンイオン)をイオン注入することによって、ボディコンタクト領域(p+層)6を形成する。イオン注入は、例えば、基板の温度を500℃に保ち、30keVから150keVの間のエネルギーで複数に分けて行う。ボディコンタクト領域(p+層)6の深さは、ソース領域(n++)5の深さよりも深く、例えば0.3μmである。
Next, a predetermined mask for defining the
次に、炭化珪素基板1(より正確には、n-バッファ層2やn--ドリフトエピ層3等の層が形成された炭化珪素基板1)を1000℃以上、例えば1700℃前後の温度で加熱することによって、イオン注入種を活性化させる。
Next, the silicon carbide substrate 1 (more precisely, the
次に、チャネルエピ層7をエピタキシャル成長によって形成する。本実施形態におけるチャネルエピ層7は、SiCからなり、例えば1×1015cm-3〜5×1015cm-3程度の不純物濃度を有し、30〜150nmの厚さを有する。このエピタキシャル成長は、例えば、原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を、キャリアガスとして水素(H2)を、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて熱CVDを行う。
Next, the
なお、エピタキシャル成長の途中で窒素(N2)ガスを導入して、チャネルエピ層7の一部の不純物濃度を高くしても構わない。また、エピタキシャル成長させたチャネルエピ層7の表面は、CMP(化学的機械的研磨)によって除去してもよい。ただし、CMPの実施は任意であり、CMPを行わなくてもよい。
Note that nitrogen (N 2 ) gas may be introduced during the epitaxial growth to increase the impurity concentration of a part of the
次に、所定のマスクを介して、ドライエッチングを行うことによって、チャネルエピ層7のパターニングを行う。その後、パターニングされたチャネルエピ層7の上に、例えば厚さ70nmのゲート絶縁膜(SiO2)8を形成する。
Next, the
次いで、減圧CVDを用いて、ゲート酸化膜8の上にゲート電極(poly−Si)9を形成する。その後、所定のマスクを用いてエッチングを行うことにより、ゲート電極9をパターニングする。
Next, a gate electrode (poly-Si) 9 is formed on the
次に、例えばCVD法によってシリコン酸化膜もしくは窒化膜またはその積層膜を約500〜1500nmの厚さで堆積することにより、炭化珪素基板1の上に(正確には、ドリフトエピ層3の上に)、層間絶縁膜10を形成する。層間絶縁膜10を構成するシリコン酸化膜には、リンやボロン等の不純物を含めてもよい。層間絶縁膜10は、パッド用電極13とゲート電極9との電気的絶縁と、半導体素子への水分、不純物侵入防止の役割を果たす。本実施形態では、層間絶縁膜10は、炭化珪素基板1上の全体、すなわちDMOSFET領域Reだけでなく、ガードリング(FLR)領域Rtにも形成する。
Next, for example, a silicon oxide film or a nitride film or a laminated film thereof is deposited to a thickness of about 500 to 1500 nm by CVD, for example, on the silicon carbide substrate 1 (precisely on the drift epi layer 3). ), An
さらに、サンドブラスト法もしくはRIEなどでドライエッチングを行うことにより、炭化珪素基板1の裏面の一部を除去することによって、凹部1aを形成する。例えば、厚さ250〜350μmの炭化珪素基板1を用いる場合は、凹部1aの深さを200〜300μmにすることが好ましい。
Further, by performing dry etching by sandblasting or RIE, a part of the back surface of
凹部1aの角部はラウンド形状にすることが好ましい。凹部1aの角部をラウンド形状にすることにより、角部への応力の集中を緩和することができる。例えば、凹部1aを形成する際にサンドブラスト法を用いた場合には、凹部1aの角部をテーパー形状にすることができる。また、凹部1aを形成する際にドライエッチングを行う場合には、エッチングマスクをテーパー状に加工した状態でエッチングを行うことにより、凹部1aの角部を丸めることができる。
The corner of the
パッケージ実装の際のダイシング工程におけるチッピング(チップ・クラック)防止のため、凹部1aは、半導体装置(ダイシング後のチップ)の外周部から100μm以内の領域には配置させない方が好ましい。この領域に凹部1aを形成しないことによって、チップの機械的強度の低下を抑制することができる。
In order to prevent chipping (chip cracks) in the dicing process during package mounting, it is preferable not to place the
以上の工程により、図6(a)に示す構造が得られる。すなわち、注入層形成からゲート形成、層間絶縁膜形成、さらに裏面凹部形成工程を経て、図6(a)に示す構造が完成する。 Through the above steps, the structure shown in FIG. That is, the structure shown in FIG. 6A is completed through the formation of the injection layer, the formation of the gate, the formation of the interlayer insulating film, and the back surface recess formation process.
次に、図6(b)に示すように、EB蒸着またはスパッタリングなどによって、炭化珪素基板1の裏面における凹部1aの内側と、炭化珪素基板1の裏面における凹部1a以外の領域を覆うドレイン・オーミック接触金属11を堆積する。ドレイン・オーミック接触金属11は、例えば、厚さ約100nmのニッケルもしくはチタンからなる。
Next, as shown in FIG. 6B, the drain ohmic covering the inside of the
次に、図6(c)に示すように、ドレイン・オーミック接触金属11の裏面上に、電解めっきなどによって、例えば銀または銅からなる裏面電極13を形成する。裏面電極13を凹部1aの深さよりも厚く堆積することにより、裏面電極13を、凹部1aの内部だけではなく、炭化珪素基板1のうち凹部1a以外の領域にも形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, a
次に、図6(d)に示すように、ドレイン・オーミック接触金属11を裏面電極13によって覆った状態で、高温加熱処理を行うことにより、ドレイン・オーミック接触金属11を炭化珪素と反応させてドレイン・オーミック電極12を形成する。ドレイン・オーミック電極12は、例えば、ニッケルまたはチタンとシリコンと炭素との合金層からなる。ドレイン・オーミック電極12を形成するための加熱処理は、Ar又はN2雰囲気中、800℃〜950℃で実行される。
Next, as shown in FIG. 6 (d), the drain / ohmic contact metal 11 is reacted with silicon carbide by performing a high temperature heat treatment in a state where the drain / ohmic contact metal 11 is covered with the
さらに、CMP(化学的機械的研磨)または通常の機械的研磨を行うことにより、裏面電極13の裏面を平坦化する。パッケージ実装時の半田による裏面接合を考慮すると、裏面電極13の裏面はなるべく平坦である方が好ましい。
Further, the back surface of the
次に、図7(a)に示すように、層間絶縁膜10に、ソース・オーミック電極15を形成するための開口10aと、ゲート・オーミック電極16aを形成するための開口10bとを形成する。開口10a、10bは、リソグラフィーによって層間絶縁膜10の上にマスクを形成した後、RIEなどによって層間絶縁膜10を除去することによって形成すればよい。開口10aは、ボディコンタクト領域6およびソース領域5を露出し、開口10bは、ゲート電極9の上の一部を露出する。
Next, as illustrated in FIG. 7A, an opening 10 a for forming the source /
次に、図7(b)に示すように、EB蒸着、スパッタなどによって、開口10aに露出するボディコンタクト領域6およびソース領域5の上と、開口10bに露出するゲート電極9の上と、層間絶縁膜10との上に、金属層14を堆積する。金属層14は、例えば厚さ100nmのニッケルもしくはチタンからなる。
Next, as shown in FIG. 7B, the
次に、図7(c)に示すように、加熱処理を行うことにより、開口10a内の金属層14を炭化珪素と、開口10b内の金属層14をゲート電極9のポリシリコンと反応させる。これにより、ソース領域5およびボディコンタクト領域6の上に、ソース・オーミック電極15を形成し、ゲート電極9の上にゲート・オーミック電極16aを形成する。ソース・オーミック電極15は、例えば、ニッケルまたはチタンとシリコンと炭素との合金層からなり、ゲート・オーミック電極16aは、例えば、ニッケルまたはチタンとシリコンとの合金層からなる。合金層を形成するための加熱処理は、例えばAr又はN2雰囲気中、800℃〜950℃の温度で実行すればよい。その後、燐酸系薬液等を用いてウェットエッチングを行うことにより、シリコンや炭素と反応していない金属層14を除去する。
Next, as shown in FIG. 7C, heat treatment is performed to cause the
図7(c)に示す工程では、以上に述べたようにサリサイド・プロセスを行ってもよいし、それ以外の方法を採用してもよい。具体的には、金属層14を堆積した後、リソグラフィーによって金属層14の上にマスクを形成した後、RIEなどのドライエッチングまたは燐酸系薬液等を用いたウェットエッチングを行うことによって、金属層14をパターニングしてもよい。この場合、金属層14をパターニングした後に加熱処理を行うことにより、金属層14とシリコンと炭素との合金層を形成すればよい。
In the step shown in FIG. 7C, the salicide process may be performed as described above, or other methods may be employed. Specifically, after the
その後、図7(d)に示すように、アルミニウムもしくはその合金層を堆積してパターニングを行うことによって、開口10a内のソース・オーミック電極15と、開口10b内のゲート・オーミック電極16aと、層間絶縁膜10との上にパッド用電極16を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 7D, by depositing and patterning aluminum or an alloy layer thereof, the source
パッド用電極16を構成するアルミニウムもしくはその合金層の堆積は、EB蒸着またはスパッタ等によって行えばよい。パッド用電極16の厚さは、例えば約4μmである。堆積したアルミニウムもしくはその合金層のパターニングとしては、その上にリソグラフィーによってマスクを形成した後、マスクを介してRIEなどのドライエッチング、または燐酸系薬液を用いたウェットエッチングを行えばよい。なお、パッド用電極16として、銅もしくはその合金層を電解めっき等により形成してもよい。パッド用電極16の上には、プラズマCVDによって保護絶縁膜(パッシベーション膜)17を形成する。例えば、保護絶縁膜17としては、厚さ1.5μmのシリコン窒化膜(p−SiN)を形成すればよい。
The aluminum or the alloy layer thereof constituting the
さらに、保護絶縁膜17の上に、ゲートおよびソース・パット部を形成するためのマスクをリソグラフィーによって形成し、そのマスクを用いて、RIEなどのドライエッチングを行うことによって保護絶縁膜17を除去する。
Further, a mask for forming a gate and a source pad portion is formed on the protective insulating
以上、FLR構造の終端ガードリングを有する縦型パワーMOSFETを説明してきたが、本発明は、リサーフ構造等の他の終端構造や、ダイオード、IGBT、バイポーラ・トランジスタ等の他のパワーデバイスなどにも好適に用いることが可能である。また、本発明は、炭化珪素からなるパワー半導体デバイスだけではなく、シリコン(Si)、窒化ガリウム(GaN)や、ダイヤモンド等の他の半導体材料に対しても好適に用いることが可能である。 The vertical power MOSFET having the FLR structure termination guard ring has been described above. However, the present invention can be applied to other termination structures such as a RESURF structure and other power devices such as diodes, IGBTs, and bipolar transistors. It can be suitably used. The present invention can be suitably used not only for power semiconductor devices made of silicon carbide but also for other semiconductor materials such as silicon (Si), gallium nitride (GaN), and diamond.
本発明は、高い耐圧特性や信頼性が求められる種々の半導体装置に好適に用いられる。特に、縦型のSiC基板を用いたダイオードやトランジスタなどに好適に用いられる。 The present invention is suitably used for various semiconductor devices that require high breakdown voltage characteristics and reliability. In particular, it is suitably used for a diode or a transistor using a vertical SiC substrate.
1、101 炭化珪素基板
1a 凹部
2、102 炭化珪素バッファ層
3、103 炭化珪素ドリフトエピ層
4、104 ウェル領域
5、105 ソース領域
6、106 ボディコンタクト領域
7、107 チャネルエピ層
8、108 ゲート絶縁膜
9、109 ゲート電極
10、110 層間絶縁膜
10a、10b 開口
11、111 ドレイン・オーミック接触金属
12、112 ドレイン・オーミック電極
13、113 裏面(ドレイン)電極
14、114 ソース・オーミック接触金属
15、115 ソース・オーミック電極
16、116 パッド用電極
16a ゲート・オーミック電極
17、117 保護絶縁膜
21 半導体チップ
22 パッケージ(TO−220タイプ)
23 マイカ
24 銅放熱板
25 実装基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101
23 Mica 24
Claims (23)
前記半導体基板の主面上に形成された半導体層と、
前記半導体基板の裏面上に形成されたオーミック電極と、
前記オーミック電極を介して前記半導体基板の前記裏面上に形成され、前記半導体基板よりも熱伝導率の高い金属材料からなる裏面電極とを備え、
前記半導体基板の裏面の一部には凹部が形成され、
前記裏面電極は、前記オーミック電極を介して、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部を埋め、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部以外の領域の少なくとも一部を覆っている半導体装置。 A semiconductor substrate;
A semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate;
An ohmic electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate;
Formed on the back surface of the semiconductor substrate through the ohmic electrode, and comprising a back electrode made of a metal material having a higher thermal conductivity than the semiconductor substrate,
A recess is formed in a part of the back surface of the semiconductor substrate,
The back surface electrode is a semiconductor device that fills the inside of the recess on the back surface of the semiconductor substrate via the ohmic electrode and covers at least a part of the region other than the recess on the back surface of the semiconductor substrate.
前記半導体基板における前記裏面の一部に、凹部を形成する工程(a)と、
前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部と、前記半導体基板の前記裏面において前記凹部以外の領域の少なくとも一部とを覆う第1の金属層を形成する工程(b)と、
前記第1の金属層を介して、前記半導体基板の前記裏面における前記凹部の内部を埋め、前記半導体基板の前記裏面において前記凹部以外の領域の少なくとも一部を覆う前記裏面電極を、前記半導体基板よりも熱伝導率の高い金属材料を用いて形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、第1の熱処理によって前記第1の金属層と前記半導体基板との間にオーミック接合を形成することにより前記第1のオーミック電極を形成する工程(d)とを包含する半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate; a semiconductor layer formed on a main surface of the semiconductor substrate; a first ohmic electrode formed on a back surface of the semiconductor substrate; and the semiconductor substrate through the first ohmic electrode. A method of manufacturing a semiconductor device having a back electrode formed on a back surface,
Forming a recess in a part of the back surface of the semiconductor substrate (a);
Forming a first metal layer covering the inside of the recess on the back surface of the semiconductor substrate and at least a part of the region other than the recess on the back surface of the semiconductor substrate;
Via the first metal layer, fill the inside of the recess on the back surface of the semiconductor substrate, and cover the back electrode covering at least a part of the region other than the recess on the back surface of the semiconductor substrate. A step (c) of forming using a metal material having a higher thermal conductivity than
After the step (c), the method includes a step (d) of forming the first ohmic electrode by forming an ohmic junction between the first metal layer and the semiconductor substrate by a first heat treatment. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記工程(c)は、前記第2の金属層をめっきにより形成する請求項16に記載の半導体装置の製造方法。 In the step (b), the first metal layer is formed by vapor deposition or sputtering,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein in the step (c), the second metal layer is formed by plating.
前記半導体層の前記主面上に第3の金属層を形成した後に第2の熱処理を行うことにより第2のオーミック電極を形成する工程(e)と、
前記第2のオーミック電極と外部との間の電気的接続のためのパッド用電極を形成する工程(f)とをさらに含む請求項15から18のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 After step (c)
Forming a second ohmic electrode by performing a second heat treatment after forming a third metal layer on the main surface of the semiconductor layer; and
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, further comprising a step (f) of forming a pad electrode for electrical connection between the second ohmic electrode and the outside.
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