JP2012064899A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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昇太郎 小野
Wataru Saito
渉 齋藤
Shunji Taniuchi
俊治 谷内
Yoshio Watanabe
美穂 渡辺
Hiroaki Yamashita
浩明 山下
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Abstract

【課題】ゲート電極パッドの下部におけるアバランシェ降伏を抑制し、ゲート電極パッドの下を電流チャネルとして活用できる低オン抵抗の半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、第１導電形の第１の半導体領域２と、前記第１の半導体領域の表面に選択的に設けられた第２導電形の第２の半導体領域３と、に電気的に接続された主電極１２と、前記第１の半導体領域との間に第１の絶縁膜を介して設けられた制御電極７と、前記制御電極に電気的に接続された引き出し電極１３と、前記主電極および前記引き出し電極の上に設けられた第２の絶縁膜１５と、前記第２の絶縁膜に形成された複数のコンタクトホール１５ａの内部に設けられ、前記引き出し電極に電気的に接続された複数のコンタクト電極２１と、を備え、前記第２の絶縁膜により前記主電極から電気的に絶縁された制御端子が、前記複数のコンタクト電極に電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体装置は、高速スイッチング特性、数十〜数百Ｖの逆方向阻止電圧（耐圧）を有しており、家庭用電気機器、通信機器、車載用モータ等における電力変換、制御に広く用いられている。これらの分野においても、半導体装置の小型化、高効率化、低消費電力化が強く求められている。
例えば、半導体装置のチップ面積に依存しない性能指標としてオン抵抗Ｒｏｎとチップ面積Ｓの積Ｒｏｎ×Ｓを考えることができる。単純にチップ面積Ｓを縮小し半導体装置を小型化しても、チップ面積Ｓに反比例してＲｏｎが大きくなるため、Ｒｏｎ×Ｓの値が減少することはない。したがって、高効率化および低消費電力化を踏まえて半導体装置の小型化を実現するためには、Ｒｏｎ×Ｓを小さくすることが重要である。
Ｒｏｎ×Ｓを小さくするためには、素子構造の最適化または改良により単位面積当たりのＲｏｎを小さくすること、および、オン電流が流れる有効領域のチップ面に占める割合を大きくすることが挙げられる。例えば、ゲート電極パッドの下にオン電流を流すチャネルを形成することにより、チップ面積Ｓを変えずに相対的な有効領域を広くしてＲｏｎを下げ、Ｒｏｎ×Ｓを小さくすることができる。
しかしながら、ゲート電極パッドの下に形成されたチャネルには、ソース電極が直接コンタクトされず、アバランシェ降伏による素子破壊が生じる問題があった。このため、ゲート電極パッドの下に、オン電流の経路となるチャネルが形成されることは希であった。そこで、ゲート電極パッドの下におけるアバランシェ降伏を抑制し、ゲート電極パッドの下を電流チャネルとして活用できる半導体装置が求められている。
特開２００５−１５０３４８号公報
本発明の実施形態は、ゲート電極パッドの下部におけるアバランシェ降伏を抑制し、ゲート電極パッドの下を電流チャネルとして活用できる低オン抵抗の半導体装置およびその製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第１導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の表面に選択的に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、に電気的に接続された主電極と、前記第１の半導体領域との間に第１の絶縁膜を介して設けられた制御電極と、前記制御電極に電気的に接続された引き出し電極と、を備える。さらに、前記主電極および前記引き出し電極の上に設けられた第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜に形成された複数のコンタクトホールの内部に設けられ、前記引き出し電極に電気的に接続された複数のコンタクト電極と、を備え、前記第２の絶縁膜により前記主電極から電気的に絶縁された制御端子が、前記主電極のうちの前記第１の半導体領域の上と前記第２の半導体領域の上と前記制御電極の上とに設けられた部分と、前記引き出し電極と、を覆い、前記複数のコンタクト電極に電気的に接続されている。
一実施形態に係る半導体装置の断面を示す模式図である。 一実施形態に係る半導体装置を模式的に示す平面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造過程を模式的に示す断面図である。 図３に続く製造過程を模式的に示す断面図である。 図４に続く製造過程を模式的に示す断面図である。 図５に続く製造過程を模式的に示す断面図である。 図６に続く製造過程を模式的に示す断面図である。 図７に続く製造過程を模式的に示す断面図である。 図８に続く製造過程を模式的に示す断面図である。 一実施形態の変形例に係る半導体装置の断面を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。第１導電形をｐ形とし、第２導電形をｎ形として説明するが、第１導電形をｎ形とし、第２導電形をｐ形としても良い。
図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の断面を示す模式図である。
半導体装置１００は、例えば、縦型のプレーナＭＯＳＦＥＴである。図１に示すように、主電極であるソース電極１２と、ドレイン電極１７と、の間でオン電流が流れる素子部１０において、ｎ＋ドレイン層１６の上に設けられたｎ形ドリフト層２と、ｎ形ドリフト層２の表面に設けられたｐ形ベース領域３と、ｐ形ベース領域３の表面に設けられたｎ形ソース領域４と、を有している。ｐ形ベース領域３の上には、第１の絶縁膜であるゲート絶縁膜６を介して制御電極であるゲート電極７が設けられている。
第１の半導体領域であるｐ形ベース領域３と、第２の半導体領域であるｎ形ソース領域４とは、ソース電極１２に電気的に接続されている。すなわち、ソース電極１２は、層間絶縁膜３３を介して絶縁されたゲート電極７の間に露出したｎ形ソース領域４に接触して設けられている。ソース電極１２は、ゲート電極７の間において、ｐ＋コンタクト領域５にも接触し、ｐ＋コンタクト領域５を介してｐ形ベース領域３に電気的に接続されている。
さらに、ソース電極１２と離間したゲート引き出し電極１３が、ゲート電極７およびｎ形ソース領域４、ｐ＋コンタクト領域５の上に設けられている。ゲート引き出し電極１３は、層間絶縁膜３３に設けられた開口を介してゲート電極７に電気的に接続している。一方、ゲート引き出し電極１３と、ｎ形ソース領域４およびｐ＋コンタクト領域５と、の間は、層間絶縁膜３３により絶縁されている。
さらに、ソース電極１２と、ゲート引き出し電極１３と、を覆って、第２の絶縁膜である絶縁性保護膜１５が設けられている。
そして、絶縁性保護膜１５には、ゲート引き出し電極１３に連通する複数のコンタクトホール１５ａが設けられている。コンタクトホール１５ａの内部には、ゲート引き出し電極１３に接続されたコンタクト電極２１が設けられている。さらに、コンタクト電極２１の上には、金属を含む接着材からなる導電性の接着層２３が設けられ、ゲート端子２５の接続部２５ａと、コンタクト電極２１と、の間を接続している。
ゲート端子２５の接続部２５ａは、ソース電極１２のうちの、ｐ形ベース領域３の上と、ｎ形ソース領域４の上と、ゲート電極７の上とに設けられた部分と、ゲート引き出し電極１３を覆い、複数のコンタクトホール１５ａの内部に設けられたコンタクト電極２１に電気的に接続される。一方、ゲート端子２５とソース電極１２との間は、絶縁性保護膜１５によって電気的に絶縁されている。
素子部１０の周囲に設けられる終端部２０では、ｎ形ドリフト層２の表面にフィールド酸化膜２４が設けられ、さらに、素子部１０と終端部２０との境界からフィールド酸化膜２４の表面に延在するフィールドプレート１２ａが設けられている。
フィールドプレート１２ａは、素子部１０と終端部２０との境界に設けられたガードリング１８と組み合わされて機能し、終端部における耐圧を向上させる。
図２は、半導体装置１００を模式的に示す平面図である。
図２（ａ）に示すように、半導体装置１００は、ドレイン端子２６にボンディングされた半導体チップ９０の表面に、ゲート端子２５とソース端子２７がボンディングされた構成を有している。ゲート端子２５の接続部２５ａと、ソース端子２７の接続部２７ａは、それぞれ平板状の形状を有しており、所謂ダイレクトリード接続が設けられている。ドレイン端子２６と半導体チップ９０の裏面は、ドレイン電極１７を介して電気的に接続される。
図２（ａ）に示すI−I断面は、図１に示した断面構造を有しており、ゲート端子２５の接続部２５ａと半導体チップ９０との間は、接着層２３によって接続されている。接着層２３には、例えば、ハンダ材を用いることができる。
一方、ソース端子２７の接続部２７ａも、同じように接着層２３を介して半導体チップ９０の表面に接続することができる。そして、ソース端子２７とソース電極１２との間は、電気的に接続される。
図２（ｂ）は、ゲート端子２５の接続部２５ａと接触する半導体チップ９０の一部を模式的に示す平面図である。同図中に示す波線で囲まれた領域２５ｂが、接続部２５ａと接触する部分である。
本実施形態に係る半導体装置１００では、ゲート端子２５が接触する部分に一体のゲート電極パッドが設けられる訳ではなく、図１および図２（ｂ）に示すように、複数のゲート引き出し電極１３が相互に離間して設けられる。そして、ゲート引き出し電極１３の上に設けられたコンタクト電極２１および接着層２３を介して、ゲート端子２５の接続部２５ａとゲート引き出し電極１３とが電気的に接続される構成となっている。
図２（ｂ）に示す例では、領域２５ｂの内部に８個のゲート引き出し電極１３が設けられているが、例えば、ゲート引き出し電極１３は、少なくとも２つ以上あればよく、ゲート電流に応じた数およびサイズを選択することができる。そして、図２（ｂ）中には、正方形の接着層２３およびゲート引き出し電極１３が示されているが、これも正方形に限定されるものではなく、長方形、円形等、様々な形状とすることができる。
さらに、例えば、図２（ｂ）に示した８個の接着層２３の全てが、ゲート引き出し電極１３に電気的に接続されている必要はなく、その一部は、ゲート端子２５の接着強度を確保するために、絶縁性保護膜１５の表面に設けられても良い。
ゲート引き出し電極１３のサイズおよび数は、ゲート電流の最大値を勘案して、必要最小限に決定することができる。ゲート電流は、半導体装置１００をスイッチング制御する場合の過渡電流であり、その値は小さい。したがって、例えば、複数のゲート引き出し電極１３の総面積を、領域２５ｂに含まれるソース電極１２の面積よりも狭くすることができる。
本実施形態に係る半導体装置１００では、図１に示すように、ゲート端子２５の接続部２５ａがボンディングされる領域２５ｂ（図２（ｂ）参照）においても、ｐ形ベース領域３およびｎ形ソース領域４、ゲート電極７が設けられチャネルが形成される。さらに、ソース電極１２も、ｐ形ベース領域３およびｎ形ソース領域４に接続されて設けられることから、領域２５ｂ以外の素子部１０と同じようにオン電流を流すことができる。
したがって、半導体装置１００におけるオン電流が流れる有効領域の面積を拡大することができるので、オン抵抗Ｒｏｎを低減することが可能であり、Ｒｏｎとチップ面積Ｓの積Ｒｏｎ×Ｓを小さくすることができる。
さらに、ゲート引き出し電極１３は、複数形成することができるため、個々のゲート引き出し電極１３の面積を、ゲート端子２５の接続部２５ａの面積よりも大幅に縮小することが可能である。これにより、例えば、ゲート引き出し電極１３の下に位置するｎ形ドリフト層２で発生するホールに対し、ソース電極１２に直接接続されないｐ形ベース領域３およびｐ＋コンタクト領域５を介した排出抵抗を小さくすることができる。そして、ゲート端子２５の接続部２５ａにおけるアバランシェ降伏を抑制して、アバランシェ耐量を向上させ、あるいは、電流集中による破壊を防ぐことができる。
なお、上記のように、ゲート引き出し電極１３のサイズを縮小した場合には、ゲート引き出し電極１３の下にｎ形ソース領域４を含まない構成、すなわち、ゲート電極７の下にチャネルのない構成とすることもできる。
以下、図３〜図９を参照して、半導体装置１００の製造過程を説明する。
図３（ａ）は、ｎ形ドリフト層２の表面にゲート絶縁膜６となる絶縁膜６ａを形成し、ゲート電極となる導電層７ａを形成した状態を模式的に示す断面図である。
ｎ形ドリフト層２は、例えば、ｎ形不純物を高濃度にドープしたシリコン基板の上に形成することができる。絶縁膜６ａには、熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）を用いることができ、導電層７ａには、ポリシリコンを用いることができる。
次に、図３（ｂ）は、導電層７ａをパターニングしてゲート電極７が形成された状態を示している。
続いて、図３（ｃ）に示すように、ゲート電極７の表面に絶縁膜３１を形成する。例えば、ポリシリコンの表面を熱酸化してＳｉＯ２膜を形成することができる。
図４（ａ）は、ｎ形ドリフト層２の表面にｐ形ベース領域３が形成された状態を模式的に示す断面図である。
例えば、ゲート電極７をマスクとして、ｎ形ドリフト層２の表面にｐ形不純物をイオン注入し、その後、熱処理を施してｐ形不純物を拡散させることができる。ｐ形不純物としてボロン（Ｂ）を用いることができる。
次に、図４（ｂ）に示すように、ｐ形ベース領域３の表面に、ｎ形ソース領域４とｐ＋コンタクト領域５とを形成する。
例えば、ｎ形不純物である砒素（Ａｓ）およびｐ形不純物であるＢを、それぞれ選択的にイオン注入することにより、ｎ形ソース領域４およびｐ＋コンタクト領域５を形成することができる。
図５は、図４に続く製造過程を示し、ｎ形ソース領域４およびｐ＋コンタクト領域５と、ゲート電極７と、にコンタクトするための開口を、層間絶縁膜３３に形成する工程を模式的に示した断面図である。
図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜３３の上に、開口４１ａを有するレジストマスク４１を形成する。続いて、例えば、ドライエッチング法を用いて、層間絶縁膜３３をエッチングする。
図５（ｂ）は、開口３３ａおよび開口３３ｂが層間絶縁膜３３に形成され、レジストマスク４１が除去された状態を示している。開口３３ａは、ソース電極１２をｎ形ソース領域４およびｐ＋コンタクト領域５にコンタクトさせるために形成されている。一方、ゲート引き出し電極１３が形成される領域（図６（ｂ）参照）には、ゲート電極７にコンタクトするための開口３３ｂのみが形成され、ｎ形ソース領域およびｐ＋コンタクト領域に連通する開口は形成されない。
図６は、図５に続く製造過程を示し、ソース電極１２およびゲート引き出し電極１３を形成する工程を模式的に示した断面図である。
図６（ａ）に示すように、開口３３ａおよび３３ｂが形成された層間絶縁膜３３の上に電極メタル３６が形成される。例えば、スパッタ法を用いてアルミニウム（Ａｌ）膜を形成することができる。
続いて、図６（ｂ）に示すように、電極メタル３６をパターニングし、ソース電極１２とゲート引き出し電極１３とに分離する。ソース電極１２は、開口３３ａを介してｎ形ソース領域４とｐ＋コンタクト領域５とに接触している。一方、ゲート引き出し電極１３は、開口３３ｂを介してゲート電極７に接触している。
このように、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法では、ソース電極１２とゲート引き出し電極１３とを、ｐ形ベース領域３、ｎ形ソース領域４およびゲート電極７の上に同時に形成することができる。
図７は、図６に示す製造過程に続き、ソース電極１２およびゲート引き出し電極１３の上に絶縁性保護膜１５が形成された状態を示している。
絶縁性保護膜１５は、半導体チップ９０の表面を保護するとともに、ゲート端子２５とソース電極１２との間に介在し、両者を絶縁する。絶縁性保護膜１５として、例えば、ポリイミド膜を用いることができる。
絶縁性保護膜１５には、複数のコンタクトホール１５ａが形成される（図２（ｂ）参照）。さらに、ソース端子２７とソース電極１２との間を電気的に接続するためのコンタクトホール１５ｂを形成しても良い（図９参照）。
続いて、図８に示すように、コンタクトホール１５ａおよび１５ｂの内部に、コンタクト電極２１と、接着層２３とが形成される。
コンタクト電極２１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）電極であり、メッキ法を用いて形成することができる。
接着層２３には、例えば、ゲート端子２５およびソース端子２７を接着するためのハンダ材を用いることができる。
コンタクトホール１５ａは、ゲート引き出し電極１３の内側にコンタクト電極２１が接触するように、ゲート引き出し電極１３よりも小さなサイズの開口に形成することができる。
例えば、接着層２３がハンダ材である場合、Ｎｉを用いたコンタクト電極２１は、ハンダのマイグレーションを防ぐバリア層として機能する。さらに、図８中に示すように、コンタクト電極２１をゲート引き出し電極１３の内側に接触するように形成することにより、コンタクト電極２１と絶縁性保護膜１５との界面を伝って進入するハンダ材を、ゲート引き出し電極１３の表面で止めることが可能となる。
次に、図２に示すように、半導体チップ９０が基板から切り出され、ドレイン端子２６の上にボンディングされる。そして、ゲート端子２５およびソース端子２７が、それぞれ半導体チップ９０の表面にボンディングされる。
そして、図９に示すように、ゲート端子２５の接続部２５ａ、および、ソース端子２７の接続部２７ａが、接着層２３およびコンタクト電極２１を介して、ゲート引き出し電極１３およびソース電極１２にそれぞれ接続される。
本実施形態に係る半導体装置１００では、接続部２５ａの下にもｎ形ソース領域４およびｐ＋コンタクト領域５に接続されたソース電極１２が設けられ、絶縁性保護膜１５により接続部２５ａと絶縁されている。
図１０は、本実施形態の変形例に係る半導体装置２００の断面を示す模式図である。
半導体装置２００は、ゲート端子２５の接続部２５ａおよびソース端子２７の接続部２７ａを、金属バンプ４２を用いてコンタクト電極２１に接続した点において、半導体装置１００と相違する。金属バンプ４２には、例えば、ハンダボールを用いることができる。
絶縁性保護膜１５のコンタクトホール１５ａおよび１５ｂの内部に設けられたコンタクト電極２１の上には、バンプ電極４３が設けられている。バンプ電極４３は、例えば、Ｎｉ膜を用いて形成することができる。
バンプ電極４３の中央には、コンタクトホール１５ａおよび１５ｂの開口に対応した窪みがあり、例えば、ボール状の金属バンプ４２をコンタクトホール１５ａおよび１５ｂの開口上にガイドすることができる。
そして、コンタクトホール１５ａおよび１５ｂの開口上に位置した金属バンプ４２の上から、ゲート端子２５の接続部２５ａと、ソース端子２７の接続部２７ａと、を熱圧着させることにより、半導体チップ９０の表面に接続することができる。
以上、本発明に係る一実施形態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に限定されるものではない。例えば、出願時の技術水準に基づいて、当業者がなし得る設計変更や、材料の変更等、本発明と技術的思想を同じとする実施態様も本発明の技術的範囲に含有される。
例えば、本実施形態に係る半導体装置１００および２００では、所謂、縦型プレーナゲート型パワーＭＯＳＦＥＴを例示しているが、トレンチゲート構造を有するＭＯＳＦＥＴであっても良いし、ＩＧＢＴ等の他のスイッチングデバイスであっても良い。さらに、横型のデバイス構造にも適用することができる。また、ＧａＮやＳｉＣといったシリコン以外の材料を用いたデバイスに適用することもできる。
本実施形態は、ゲート端子２５をゲート電極７に電気的に接続する構成を例として説明したが、ゲート電極７への接続に限らず、他の部分への接続であっても、オン電流が流れない領域を有効領域として活用するために適用することが可能である。
２・・・ｎ形ドリフト層、 ３・・・ｐ形ベース領域、 ４・・・ｎ形ソース領域、 ５・・・ｐ＋コンタクト領域、 ６・・・ゲート絶縁膜、 ６ａ、３１・・・絶縁膜、 ７・・・ゲート電極、 ７ａ・・・導電層、 １０・・・素子部、 １２・・・ソース電極、 １２ａ・・・フィールドプレート、 １３・・・ゲート引き出し電極、 １５・・・絶縁性保護膜、 １５ａ、１５ｂ・・・コンタクトホール、 １６・・・ドレイン層、 １７・・・ドレイン電極、 １８・・・ガードリング、 ２０・・・終端部、 ２１・・・コンタクト電極、 ２３・・・接着層、 ２４・・・フィールド酸化膜、 ２５・・・ゲート端子、 ２５ａ、２７ａ・・・接続部、 ２６・・・ドレイン端子、 ２７・・・ソース端子、 ３３・・・層間絶縁膜、 ３３ａ、３３ｂ、４１ａ・・・開口、 ３６・・・電極メタル、 ４１・・・レジストマスク、 ４２・・・金属バンプ、 ４３・・・バンプ電極、 ９０・・・半導体チップ、 １００、２００・・・半導体装置

Claims (5)

  1. 第１導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の表面に選択的に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、に電気的に接続された主電極と、
    前記第１の半導体領域との間に第１の絶縁膜を介して設けられた制御電極と、
    前記制御電極に電気的に接続された引き出し電極と、
    前記主電極および前記引き出し電極の上に設けられた第２の絶縁膜と、
    前記第２の絶縁膜に形成された複数のコンタクトホールの内部に設けられ、前記引き出し電極に電気的に接続された複数のコンタクト電極と、
    前記主電極のうちの前記第１の半導体領域の上と前記第２の半導体領域の上と前記制御電極の上とに設けられた部分と、前記引き出し電極と、を覆い、前記複数のコンタクト電極に電気的に接続され、前記第２の絶縁膜により前記主電極から電気的に絶縁された制御端子と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記コンタクト電極と前記制御端子との間に設けられた金属を含む接続材をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記接続材は、ハンダ材または金属バンプであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記引き出し電極の総面積は、前記制御端子に覆われた前記主電極の一部の面積よりも狭い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。
  5. 第１導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の表面に選択的に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、に電気的に接続された主電極と、
    前記第１の半導体領域との間に第１の絶縁膜を介して設けられた制御電極と、
    前記制御電極に電気的に接続された引き出し電極と、
    前記主電極および前記引き出し電極の上に設けられた第２の絶縁膜と、
    前記主電極の一部および前記引き出し電極を覆って制御端子がボンディングされる領域において、前記第２の絶縁膜に形成された複数のコンタクトホールの内部に設けられ、前記制御端子と前記引き出し電極とを電気的に接続する複数のコンタクト電極と、
    を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の半導体領域、前記第２の半導体領域および前記制御電極の上に、前記主電極および前記引き出し電極となる金属膜を同時に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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