JP2013239607A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の電極の端部近傍に発生する電界により、当該半導体装置を覆う樹脂保護膜やモールド樹脂の絶縁破壊が生じることを防止する。
【解決手段】半導体装置は、ｎ^＋型のＳｉＣ基板１上に形成されたｎ⁻型のドリフト層２と、ドリフト層２上に形成されたショットキー電極３と、ショットキー電極３上に形成され、ショットキー電極３よりも幅の狭いアノード電極４とを備える。ドリフト層２の表層部におけるショットキー電極３の端部３ａ下を含む領域には、ｐ型の終端領域６が形成される。また、ドリフト層２の外周部には、ショットキー電極３の端部３ａを覆い、且つ、アノード電極４の上面を露出する開口を有する樹脂保護膜５が形成される。ショットキー電極３の端部３ａ上における樹脂保護膜５の厚みは、アノード電極４の厚みよりも大きくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の構造に関し、特に、電力用半導体装置の素子外周部の終端構造に関するものである。

インバーターなどのパワーエレクトロニクス機器の省エネ化のため、それに使用されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＰＮダイオードやショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diode；ＳＢＤ）などの電力用半導体装置の低損失化が求められている。そのため、半導体素子材料として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置の開発が進められている。ＳｉＣは、従来の半導体素子材料であるシリコン（Ｓｉ）よりも絶縁破壊電界が高いため、ＳｉＣ半導体素子はその厚みを薄くでき、損失低減を図ることができる。

一般に、電力用半導体装置は、大電流を流せるように、電極に対して太径ワイヤのボンディングやはんだ接合を行うため、小信号用半導体装置の場合に比べて厚い電極膜が用いられる。また、電極端部での電界集中による耐圧低下を防止するために、電極端部の電界を緩和する終端構造が採用される。例えば、下記の特許文献１，２にＳｉＣを用いて形成された従来のＳＢＤの構造が示されている。

特許文献１のＳＢＤは、ｎ^＋型のＳｉＣ基板上に設けられたｎ⁻型のドリフト層の上に、ドリフト層に対してショットキー接合するショットキー電極を形成し、さらにその上にアルミニウムのアノード電極を設けた構造となっている。ドリフト層の表層部（ショットキー電極との界面）には、ショットキー電極の端部下を含む領域にｐ型の不純物領域である終端領域が設けられている。また、ＳｉＣ基板の裏面には、ＳｉＣ基板とオーミック接合するカソード電極が設けられている。

ＳＢＤのカソード電極に高電圧が印加されると、ドリフト層とショットキー電極との界面から空乏層が広がり、ドリフト層内のショットキー電極近傍が空乏化する。この空乏層によってＳＢＤの耐圧が確保される。

ショットキー電極の端部下に形成された終端領域は、ショットキー電極端における電界集中を緩和するように働く。例えば、終端領域を有しないＳＢＤでは、ショットキー電極よりも外側のドリフト層からの電気力線がショットキー電極の端部に集中し、その部分に高電界が生じるため、ＳｉＣの絶縁破壊電界を超える電界が発生しやすくなり、ＳＢＤの耐圧が低下する。

対して、ショットキー電極の端部に終端領域が形成されたＳＢＤでは、空乏層が終端領域を包含するように形成されるため、電気力線が分散されてショットキー電極端部の電界が低減される。これにより、ＳＢＤの耐圧を理想的な値に近づけることができる。

終端領域としては、ショットキー電極の外周に沿う１本のリング状の不純物注入領域からなるガードリングの他、外周部に不純物濃度の低い領域を有するリング状の不純物注入領域からなるＪＴＥ（Junction Termination Extension）や、同心円状の複数の不純物注入領域からなるＦＬＲ（Field Limiting Ring）などが知られている。

また特許文献２には、ドリフト層上に、アノード電極の端部を覆う樹脂保護膜を設けた構造が示されている。樹脂保護膜は、例えばポリイミドからなり、モールド樹脂などに含まれる外部イオンなどの影響による耐圧低下を防ぐ効果がある。

特開２０１０−２２５８７７号公報 特開２００５−２８６１９７号公報

ＳｉＣは絶縁破壊電界強度がＳｉの約１０倍であるので、ＳｉＣ半導体装置ではドリフト層の厚みを１／１０程度に薄膜化することが可能であり、それにより、通電抵抗を従来のＳｉ半導体装置の約１／１０にできる。しかしそれ故に、ＳｉＣ半導体装置のドリフト層内部に発生する電界は従来よりも高くなり、応じて、ドリフト層外部に発生する電界も従来より高くなる。

本発明者らの調査により、ＳｉＣ半導体装置のドリフト層外部に発生する電界は、樹脂保護膜やモールド樹脂の絶縁破壊電界強度を超える場合があることが分かった。実際に、上記の構造を有する従来のＳｉＣ半導体装置を樹脂でモールドして種々の信頼性試験を行ったところ、耐圧劣化により故障する不具合が生じた。故障した装置のモールド樹脂を剥がして調べたところ、絶縁破壊はアノード電極の端部、特にその角部付近で起こっていた。この結果から、故障の原因は、終端領域の上部に位置するアノード電極の端部に電界が集中して、樹脂保護膜（ポリイミド）またはモールド樹脂に部分的な絶縁破壊を生じさせ、それにより素子耐圧が低下したことと考えられる。

また、この問題は、ＳｉＣと同様に絶縁破壊電界強度が高い半導体素子材料として期待される、ワイドバンドギャップ半導体（例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドなど）を用いた半導体装置においても懸念される。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半導体装置の電極の端部近傍（終端領域の近傍）に発生する電界により、当該半導体装置を覆う樹脂保護膜やモールド樹脂の絶縁破壊が生じることを防止することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、第１導電型の半導体層と、前記半導体層上に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成され、前記第１電極よりも幅の狭い第２電極と、前記半導体層上に形成され、少なくとも前記第１電極の端部を覆い、且つ、前記第２電極の上面を露出する開口を有する樹脂保護膜と、前記半導体層の表層部における前記第１電極の端部下を含む領域に形成された第２導電型の終端領域と、を備え、前記半導体層と前記第１電極はショットキー接続しており、前記第１電極の端部上における前記樹脂保護膜の厚みが、前記第２電極の厚みよりも大きいものである。

本発明によれば、第１電極および第２電極の端部に発生する電界が低減され、樹脂保護膜やモールド樹脂など部材の絶縁破壊が防止され、半導体装置の信頼性が向上する。

実施形態１に係る半導体装置の外周部近傍の断面図である。 実施形態１に係る半導体装置の上面図である。 実施形態２に係る半導体装置の外周部近傍の断面図である。 実施形態２に係る半導体装置の上面図である。 実施形態３に係る半導体装置の外周部近傍の断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置であるＳＢＤの外周部近傍の断面図である。また図２は、当該半導体装置の上面図であり、図１は図２に示すＡ−Ｂの線に沿った断面に相当する。当該半導体装置は、ＳｉＣを用いて形成されたショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ−ＳＢＤ）である。

実施の形態１に係る半導体装置は、ＳｉＣからなるｎ型（第１導電型）の半導体基板（ＳｉＣ基板）１と、その上にエピタキシャル成長させたｎ型のＳｉＣ半導体層であるドリフト層２とで構成されたエピタキシャル基板を用いて形成されている。ＳｉＣ基板１は、不純物濃度が比較的高いｎ型（ｎ^＋型）の領域であり、ドリフト層２は、不純物濃度が比較的低いｎ型（ｎ⁻型）の領域である。

ＳｉＣ基板１上には、ショットキー電極３（第１電極）が形成され、ショットキー電極３上には、当該ショットキー電極３よりも幅の狭いアノード電極４（第２電極）が形成されている。アノード電極４はワイヤボンドを行うボンディングパッドとして用いられる。

また、ドリフト層２の表層部には、ショットキー電極３の端部下を含む領域に、ｐ型（第２導電型）の不純物注入領域である終端領域６が形成されている。上記したように、終端領域６は、ショットキー電極３端部の電界を緩和するように機能する。本実施の形態では、終端領域６を、ショットキー電極３の外周に沿って形成されたリング状のガードリングとした。

ドリフト層２上には樹脂保護膜５が形成される。樹脂保護膜５は、図２のように半導体装置の外周部に形成され、外部との接続（ワイヤボンドやはんだ接合）のためにアノード電極４の上面を露出する開口を有している。また、樹脂保護膜５は、少なくともショットキー電極３の端部３ａを覆うように形成される。本実施の形態では、図１のように、樹脂保護膜５が、ショットキー電極３の端部３ａよりも内側に位置するアノード電極４の端部４ａをも覆うように形成されている。樹脂保護膜５は、その厚みが、ショットキー電極３の端部３ａ上でアノード電極４の厚みよりも大きくなるように形成される。

ここで、図１に示した半導体装置（ＳｉＣ−ＳＢＤ）の製造方法について説明する。まず、ｎ^＋型の（０００１）４Ｈ−ＳｉＣからなるＳｉＣ基板１を準備する。ＳｉＣ基板１の厚みは、例えば５０μｍ〜５００μｍ程度である。次に、ＳｉＣ基板１の表面上に、エピタキシャル成長によりｎ⁻型のドリフト層２を形成する。ドリフト層２の不純物濃度および厚みは任意でよく、半導体装置の耐圧仕様に応じて適宜設計することができる。

そして、ドリフト層２内にＡｌやＢなどの不純物を選択的にイオン注入し、リング状でｐ型の導電型を有する終端領域６（ガードリング）を形成する。終端領域６の不純物濃度（イオン注入する不純物のドーズ量）および幅は任意でよく、半導体装置の耐圧仕様に応じて適宜設計することができる。

続いて、終端領域６に注入した不純物を活性化させるためにアニール（熱処理）を行う。このアニールは、例えばＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）タイプのアニール炉を用いて高真空中で行う。

次に、ＳｉＣ基板１の裏面（ドリフト層２とは逆側の面）に、スパッタ法によりＮｉやＡｌなどの金属膜を成膜し、カソード電極７を形成する。そして、ＳｉＣ基板１とカソード電極７との間でオーミック接触を得るためのアニールを行う。本実施の形態では、カソード電極７としてＮｉ膜を用いた。

その後、ドリフト層２の表面にスパッタ法によりＴｉ膜を成膜し、選択的なウェットエッチングによりその外周部を除去してパターニングすることにより、ショットキー電極３を形成する。このときショットキー電極３の端部３ａが、終端領域６上に位置するようにする。そして、ショットキー電極３とドリフト層２の間でショットキー接触を得るためのアニールを行う。

ショットキー電極３の厚みは、ショットキー接触を安定して得るため、また、この後の樹脂保護膜５の形成工程で塗布するポリイミドが流動して“だれ”が生じることを防止するために、０．００５μｍから０．５μｍまでの範囲が望ましい。本実施の形態ではショットキー電極３の厚みを０．１μｍとした。なお、ショットキー電極３の材料としては、Ｔｉの他、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌやその合金、あるいはこれらの金属および合金の多層膜を用いてもよい。

続いて、ショットキー電極３上を含むドリフト層２上の全面に、スパッタ法によりＡｌ膜を成膜し、選択的なウェットエッチングによりその外周部を除去してパターニングすることにより、ショットキー電極３の上にアノード電極４を形成する。このときアノード電極４はショットキー電極３よりも狭い幅にする。すなわち、アノード電極４の端部４ａがショットキー電極３の端部３ａよりも内側に位置するようにする。より好ましくは、図１のように、アノード電極４の端部４ａを終端領域６の内周よりも内側に位置させる。アノード電極４の厚みは、安定したワイヤボンドを行うために、２μｍから２０μｍの範囲であることが望ましい。本実施の形態では、アノード電極４の厚みを５μｍとした。

次に、ショットキー電極３上およびアノード電極４上を含むドリフト層２上の全面に、感光性ポリイミドを塗布して硬化させる。そして硬化したポリイミド膜を溶剤でリング状にパターニングし、その後にキュアすることにより、アノード電極４の上面を露出する開口部を有する樹脂保護膜５を形成する。樹脂保護膜５の厚みは、充分な保護効果を得るために、３μｍから３００μｍの範囲とする。本実施の形態では樹脂保護膜５の厚みを６．５μｍとした。また本実施の形態では、ショットキー電極３の端部３ａの上部において、樹脂保護膜５の厚みがアノード電極４よりも厚くなるようにする。

以上の工程により、図１に示す構成の半導体装置（ＳｉＣ−ＳＢＤ）が得られる。

本発明者らは、本発明の効果を確かめるために、比較例としてのＳｉＣ−ＳＢＤを作成して、実施の形態１に係るＳｉＣ−ＳＢＤとの比較試験を行った。

比較例のＳｉＣ−ＳＢＤは、基本的に上記と同じ手順で作製したものであるが、アノード電極４（Ａｌ膜）の厚みを８μｍにし、また、アノード電極４の端部４ａの位置を、ショットキー電極３の端部３ａと同じ位置にしている。つまり比較例のＳｉＣ−ＳＢＤでは、ショットキー電極３の端部３ａにおいて、厚み０．１μｍのショットキー電極３の端部３ａと、厚み８μｍのアノード電極４の端部４ａとが重なって、８．１μｍの段差が形成されることになる。この８．１μｍの段差を、厚み６．５μｍの樹脂保護膜５で覆うと、樹脂流動による“だれ”が生じ、ショットキー電極３の端部３ａ上における樹脂保護膜５の厚みが減り、実質的に５μｍ程度となった。すなわち比較例のＳｉＣ−ＳＢＤでは、ショットキー電極３の端部３ａ上における樹脂保護膜５の厚みはカソード電極７の厚みよりも小さくなっている。

そして、実施の形態１のＳｉＣ−ＳＢＤと比較例のＳｉＣ−ＳＢＤを、それぞれ実使用形態を模擬して樹脂封止した。樹脂には電子材料の封止材（モールド樹脂）として一般的なシリコーン、エポキシ、フェノールなどを用いることができるが、ここではシリコーン樹脂で封止した。

比較試験では、樹脂封止した実施の形態１のＳｉＣ−ＳＢＤおよび比較例のＳｉＣ−ＳＢＤに対し、周囲温度８５℃、相対湿度８５％の条件下で、バイアス電圧印加試験を行った。比較例のＳｉＣ−ＳＢＤは、試験開始５０時間後に、終端領域６上に位置するアノード電極４の端部４ａ付近で絶縁破壊が生じて故障した。一方、実施の形態１のＳｉＣ−ＳＢＤは、試験開始１０００時間を超えても故障しなかった。この結果から、実施の形態１のＳｉＣ−ＳＢＤでは、ショットキー電極３の端部３ａおよびアノード電極４の端部４ａに生じる電界が抑制されていることが確かめられた。

実施の形態１のＳｉＣ−ＳＢＤでは、高電界が発生しやすいショットキー電極３の端部３ａにおける段差は０．１μｍであり、樹脂保護膜５の幅（例えば１００μｍ）に比べ充分小さい。従って、樹脂保護膜５形成時にその段差で樹脂（ポリイミド）が流動することはなく、ショットキー電極３の端部３ａ上の樹脂保護膜５は厚く保たれる。特に、ショットキー電極３の端部３ａ上で樹脂保護膜５をアノード電極４よりも厚くすることにより、樹脂保護膜５にかかる電界を低減できる。さらに、実施の形態１のＳｉＣ−ＳＢＤでは、アノード電極４が、高電界が発生するショットキー電極３の端部３ａよりも内側に形成されているため、アノード電極４の端部４ａへの電気力線の流れ込みが低減され、その部分での電界集中が抑制される。

一方、比較例のＳｉＣ−ＳＢＤでは、ショットキー電極３の端部３ａと同じ位置にあるアノード電極４の端部４ａに電気力線が集中する。さらに、その付近でショットキー電極３およびアノード電極４が形成する段差が大きいため、樹脂保護膜５が樹脂流動による“だれ”により薄くなっており、アノード電極４の端部４ａ付近の樹脂保護膜５に大きな電界が加わる。上記のバイアス電圧試験において絶縁破壊が早期に生じたのは、これらが原因であると考えられる。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置によれば、樹脂保護膜５やモールド樹脂など部材の絶縁破壊を防止し、高い信頼性が得られる。

なお、本実施の形態ではアノード電極４の端部４ａをショットキー電極３の端部３ａよりも内側に位置させているが、アノード電極４の端部４ａの位置を終端領域６の内周よりもさらに内側にして、アノード電極４の端部４ａと終端領域６との距離を離すと上記の効果はより高くなる。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置であるＳｉＣ−ＳＢＤの外周部近傍の断面図である。また図４は、当該半導体装置の上面図であり、図１は図２に示すＡ−Ｂの線に沿った断面に相当する。なお、図３および図４では、図１および図２に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるので、ここではそれらの説明は省略する。

図３および図４に示すように、実施の形態２に係るＳｉＣ−ＳＢＤでは、アノード電極４は、樹脂保護膜５が有する開口内に、当該開口よりも狭い幅で形成されている。つまり樹脂保護膜５の内周とアノード電極４の端部４ａとの間に間隔が設けられている。

実施の形態２のＳｉＣ−ＳＢＤも、実施の形態１と同様の手順によって形成可能である。但し、金属膜（Ａｌ）をパターニングしてアノード電極４を形成する際、その後に形成する樹脂保護膜５の開口の内側にアノード電極４の端部４ａが位置するようにする必要がある。

本実施の形態によれば、アノード電極４の端部４ａが、高電界が発生する終端領域６の直上から充分に遠ざけられる。また、樹脂保護膜５の形成領域内に、アノード電極４の端部４ａによる大きな段差が無いため、樹脂保護膜５の形成領域がほぼ平坦になり、樹脂保護膜５に樹脂流動による“だれ”が発生することを防止でき、樹脂保護膜５全体の厚さを均一にできる。従って、アノード電極４の端部４ａにおける電界をさらに低減し、樹脂保護膜５やモールド樹脂など部材の絶縁破壊をより確実に防止し、信頼性の高い半導体装置が得られる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置であるＳｉＣ−ＳＢＤの外周部近傍の断面図である。同図においても、図１および図２に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるので、ここではそれらの説明は省略する。

図５に示すように、実施の形態３に係るＳｉＣ−ＳＢＤでは、ドリフト層２およびショットキー電極３の外周部上に、誘電体層８が設けられている。またアノード電極４の端部４ａと樹脂保護膜５は、誘電体層８上に形成されている。つまり、誘電体層８は、ドリフト層２およびショットキー電極３と樹脂保護膜５との間、並びに、アノード電極４の端部４ａとショットキー電極３との間に延在するように形成されている。

誘電体層８の材料としては、酸化ケイ素、酸化アルミ、窒化ケイ素、窒化アルミなどを用いることができ、厚みは０．１μｍから１０μｍが望ましい。これらの誘電体は、樹脂保護膜５を構成するポリイミドやモールド樹脂に比べ大きな絶縁破壊電界強度を持つ。ドリフト層２と樹脂保護膜５との間に誘電体層８が介在することにより、高電界が発生する終端領域６上の樹脂保護膜５に印加される電界が低減される。また、アノード電極４の端部４ａの下に誘電体層８が設けられることにより、アノード電極４の端部４ａへの電気力線の流れ込みがより低減され、その部分での電界集中がさらに抑制される。また、上記の誘電体層８はポリイミドやモールド樹脂よりも透湿性が低いため、ショットキー電極３を水分による腐食から保護し、半導体装置の信頼性を高めることができる。

実施の形態３のＳｉＣ−ＳＢＤも、基本的に実施の形態１と同様の手順によって形成可能である。但し、ショットキー電極３の形成工程とアノード電極４の形成工程との間に、誘電体膜の成膜およびそのパターニングにより、誘電体層８を形成する必要がある。

なお、図５においては、実施の形態２のＳｉＣ−ＳＢＤの構造（アノード電極４と樹脂保護膜５との間に隙間がある構造）に対して誘電体層８を設けた例を示したが、実施の形態２のＳｉＣ−ＳＢＤの構造（アノード電極４の端部４ａが樹脂保護膜５と接する構造）に対して誘電体層８を設けてもよい。

＜変形例＞
以上の説明においては、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたが、それとは逆に、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としてもよい。また、終端領域６は、ガードリングに限られず、ＦＬＲやＪＴＥであってもよい。

アノード電極４の上には、はんだ接合用のＮｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕやそれらの合金、あるいはそれら金属や合金の多層膜からなるボンディングパッドをさらに設けてもよい。カソード電極７の表面にも、それと同様のボンディングパッドを設けても良い。

上で説明したＳｉＣ−ＳＢＤの製造方法では、ショットキー電極３とアノード電極４をそれぞれ別の工程でパターニングしたが、それらを１つのエッチングマスクを用いて、１回のウェットエッチングによってパターニングすることもできる。具体的には、ショットキー電極３の金属（Ｔｉ等）よりもアノード電極４の金属（Ａｌなど）のエッチング速度が速いエッチャント液を用いて、ショットキー電極３の金属膜とアノード電極４の金属膜との積層膜を同時にエッチングする。その場合、アノード電極４の側面がショットキー電極３よりも大きく後退するため、ショットキー電極３の端部３ａがアノード電極４の端部４ａよりも内側に位置させることができる。

また、各実施の形態では半導体装置としてＳＢＤを例示したが、第１電極（ショットキー電極３に相当）と接するドリフト層２の表層部にｐ型の不純物領域を備えるｐｎダイオードに対しても適用可能であり、同様の効果が期待できる。

また、各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体の１つであるＳｉＣを用いて形成した半導体装置について説明したが、本発明は他のワイドバンドギャップ半導体（窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドなど）を用いた半導体装置に対しても適用可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ＳｉＣ基板、２ ドリフト層、３ ショットキー電極、４ アノード電極、５ 樹脂保護膜、６ 終端領域、７ カソード電極、８ 誘電体層。

Claims (5)

1. 第１導電型の半導体層と、
   前記半導体層上に形成された第１電極と、
   前記第１電極上に形成され、前記第１電極よりも幅の狭い第２電極と、
   前記半導体層上に形成され、少なくとも前記第１電極の端部を覆い、且つ、前記第２電極の上面を露出する開口を有する樹脂保護膜と、
   前記半導体層の表層部における前記第１電極の端部下を含む領域に形成された第２導電型の終端領域と、を備え、
   前記半導体層と前記第１電極はショットキー接続しており、
   前記第１電極の端部上における前記樹脂保護膜の厚みが、前記第２電極の厚みよりも大きい
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２電極の端部は、前記終端領域の内周よりも内側に位置している
   請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第２電極は、前記樹脂保護膜の前記開口内に、当該開口よりも狭い幅で形成されている
   請求項１または請求項２記載の半導体装置。
4. 前記樹脂保護膜と前記半導体層および前記第１電極との間、並びに、前記第２電極の端部と前記第１電極との間に延在する誘電体層をさらに備える
   請求項１から請求項３のいずれか一項記載の半導体装置。
5. 前記半導体層は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されている
   請求項１から請求項４のいずれか一項記載の半導体装置。

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