JP2014187187A - 半導体装置の製造方法、および半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】生産性の向上を図ることができる半導体装置の製造方法、および半導体装置を提供することである。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基板の素子領域の周囲に設けられた終端領域に、前記素子領域を囲むトレンチを形成する工程と、炭酸バリウムと、二酸化チタンと、溶媒と、を混合した流動体を前記トレンチに充填する工程と、前記トレンチに充填された流動体を焼成して、チタン酸バリウムを含む絶縁膜を前記トレンチに埋め込む工程と、前記素子領域に素子部を形成する工程と、を備えている。
【選択図】図1

Description

後述する実施形態は、概ね、半導体装置の製造方法、および半導体装置に関する。
パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やパワーIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体装置には、半導体素子が設けられた素子領域と、素子領域を囲む終端領域と、が設けられている。
そして、終端領域にはトレンチが設けられ、トレンチの内部にはポリシリコンや、酸化シリコンとアルミナを積層した複合膜が埋め込まれている。
この場合、酸化シリコンとアルミナを積層した複合膜を埋め込むようにすると、リーク電流をより抑制することができるが、生産性が悪くなるおそれがある。
特開2009−4547号公報
本発明が解決しようとする課題は、生産性の向上を図ることができる半導体装置の製造方法、および半導体装置を提供することである。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基板の素子領域の周囲に設けられた終端領域に、前記素子領域を囲むトレンチを形成する工程と、炭酸バリウムと、二酸化チタンと、溶媒と、を混合した流動体を前記トレンチに充填する工程と、前記トレンチに充填された流動体を焼成して、チタン酸バリウムを含む絶縁膜を前記トレンチに埋め込む工程と、前記素子領域に素子部を形成する工程と、を備えている。
第1の実施形態に係る半導体装置1を例示するための模式図である。 第1の実施形態に係る半導体装置1を例示するための模式図である。 第1の実施形態に係る半導体装置1を例示するための模式図である。 第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、各図中における矢印X、矢印Y、および矢印Zは互いに直交する三方向を表しており、例えば、矢印Xと矢印Yは基板2の面に平行な方向、矢印Zは基板2の面に垂直な方向(積層方向)を表している。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して述べたものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、以下においては、一例として、本実施の形態に係る半導体装置1が縦型のパワーMOSFETである場合について説明する。
ただし、本実施の形態に係る半導体装置1は、縦型のパワーMOSFETに限定されるわけではない。例えば、本実施の形態に係る半導体装置1は、横型のパワーMOSFETであってもよいし、縦型または横型のパワーIGBTなどであってもよい。
(第1の実施形態)
図1〜図3は、第1の実施形態に係る半導体装置1を例示するための模式図である。
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置1を上から見た図である。図1では、図を見やすくするために、絶縁膜10および絶縁層39を省略している。
図2は、図1におけるA−A断面図である。
図3は、図1におけるB−B断面図である。
図1〜図3に示すように、半導体装置1には、素子領域41および終端領域42が設けられている。
素子領域41は基板2の中央側に設けられ、終端領域42は素子領域41の周囲を囲むように設けられている。
素子領域41には、素子部20、および電極部30が設けられている。
素子部20は、基板2、エピタキシャル層3、ベース領域4、ソース領域5、トレンチ6、トレンチゲート7、ゲート絶縁膜8、ドレイン電極9、および絶縁膜10を有する。 基板2は、例えば、n形の半導体から形成されている。
エピタキシャル層3は、基板2の一方の面上に設けられている。エピタキシャル層3は、例えば、n形の半導体から形成されている。
ベース領域4は、エピタキシャル層3の表面領域に設けられている。ベース領域4は、例えば、p形の半導体から形成されている。
ソース領域5は、ベース領域4の表面領域に設けられている。ソース領域5は、例えば、n形の半導体から形成されている。
トレンチ6は、ベース領域4とソース領域5を貫通し、エピタキシャル層3に到達している。トレンチ6は、ソース領域5の表面に開口し、Y方向に延びている。トレンチ6は、所定の間隔をおいて複数設けられている。
トレンチゲート7は、複数のトレンチ6の内部にそれぞれ設けられている。
図3に示すように、トレンチゲート7は、Y方向に延びるとともに、ゲート絶縁膜8と絶縁膜10を貫通してゲート電極31の接続部31bと接続されている。トレンチゲート7は、例えば、不純物が添加されたポリシリコンから形成されている。
なお、トレンチ6やトレンチゲート7などの数は、適宜変更することができる。
ゲート絶縁膜8は、複数のトレンチ6の内部にそれぞれ設けられている。ゲート絶縁膜8は、トレンチ6の内部においてトレンチゲート7を覆うように設けられている。
ドレイン電極9は、基板2のエピタキシャル層3が設けられる側とは反対側に設けられている。ドレイン電極9は、例えば、アルミニウム(Al)などの金属から形成されている。
絶縁膜10は、エピタキシャル層3の上に設けられている。絶縁膜10は、開口部を有する。絶縁膜10は、単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。
電極部30は、ゲート電極31とソース電極32とを有する。ゲート電極31とソース電極32は、絶縁層39により覆われている。
ゲート電極31は、絶縁膜10の上に設けられている。ゲート電極31は、本体部31aと、ソース電極32の周囲を囲む接続部31bを有する。トレンチゲート7は、ゲート絶縁膜8と絶縁膜10を貫通して接続部31bと接続されている(図3を参照)。なお、本体部31aはゲートパッドとなり、接続部31bはゲート引き出し配線となる。
ソース電極32は、絶縁膜10に設けられたソース領域5が露出する開口部の内部に設けられている。なお、ソース電極32は、ソースパッドとなる。
ゲート電極31の本体部31aおよび接続部31bと、ソース電極32は、バリア層33、金属層37および金属層38を有する。
ゲート電極31の接続部31bに設けられた金属層37は、バリア層33を介してトレンチゲート7と接続されている。
ソース電極32に設けられた金属層37は、絶縁膜10に設けられた開口部の内部に設けられている。開口部の内部に設けられた金属層37は、バリア層33を介してソース領域5と接続されている。
バリア層33は、例えば、チタン(Ti)、チタンタングステン(TiW)、窒化チタン(TiN)などから形成することができる。
バリア層33の厚み寸法は、例えば、300nm〜500nm程度とすることができる。 バリア層33は、金属層37に含まれる元素が素子部20の内部に拡散するのを抑制するために設けられている。
金属層37は、例えば、銅などの導電性材料から形成することができる。
金属層37の厚み寸法は、例えば、5μm〜10μm程度とすることができる。
金属層38は、金属層37の露出面(上面と側面)を覆うように設けられている。
金属層38は、例えば、金(Au)、白金(Pt)、およびパラジウム(Pd)よりなる群から選択された少なくとも1種を含むものとすることができる。
金属層38の厚み寸法は、例えば、0.05μm程度とすることができる。
また、金属層38と金属層37との間に、Ni/Pd、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)などから形成され、厚み寸法が1μm〜2μm程度の下地層を設けることもできる。
絶縁層39は、金属層38の表面を覆うように設けられている。絶縁層39には開口部が設けられている。この開口部の内部には、金属層37の上面に設けられた金属層38が露出している。
絶縁層39は、例えば、ポリイミド(PI)、永久レジスト、P−SiN、P−SiOなどから形成することができる。絶縁層39は、単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。
絶縁層39の厚み寸法は、例えば、1μm〜20μm程度とすることができる。
絶縁層39は、ゲート電極31およびソース電極32を保護するために設けられている。絶縁層39は、必要に応じて設けるようにすることができる。
終端領域42には、トレンチ11および絶縁膜12が設けられている。トレンチ11は、素子領域41の周囲を囲むように設けられている。トレンチ11は、エピタキシャル層3を貫通し、基板2に到達している。トレンチ11は、エピタキシャル層3の表面に開口している。
トレンチ11の幅寸法(X方向またはY方向の寸法)は、30μm以上100μm以下とすることができる。
トレンチ11の深さ寸法(Z方向の寸法)は、50μm以上とすることができる。
絶縁膜12は、トレンチ11の内部に埋め込まれている。
絶縁膜12は、チタン酸バリウム(BaTiO)を含む。
(第2の実施形態)
図4(a)〜図9(b)は、第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法においては、複数の半導体装置1を一体的に形成した後、各半導体装置1毎に分離する。ここでは、図を見やすくするために、1つの半導体装置1が形成される領域を表すことにする。
なお、半導体装置1を個別に製造する場合も同様の手順で行うことができる。
また、図4(a)〜図9(b)は、図1におけるA−A断面についての模式工程断面図である。
図5は図4(d)に続く模式工程断面図であり、図6(a)は図5に続く模式工程断面図であり、図7(a)は図6(c)に続く模式工程断面図であり、図8(a)は図7(c)に続く模式工程断面図であり、図9(a)は図8(b)に続く模式工程断面図である。
なお、図4(a)〜図5は、終端領域42におけるトレンチ11および絶縁膜12の形成を例示するための模式工程断面図である。
図6(a)〜(c)は素子部20の形成を例示するための模式工程断面図である。
図7(a)〜図9(a)は電極部30の形成を例示するための模式工程断面図である。 図9(b)は各半導体装置1毎に分離する様子を例示するための模式工程断面図である。
まず、終端領域42にトレンチ11および絶縁膜12を形成する。
図4(a)に示すように、n形の半導体から形成された基板2の上にn形の半導体をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル層3を形成する。
次に、図4(b)に示すように、所望の開口部100aを有するマスクパターン100をエピタキシャル層3の上に形成する。
マスクパターン100は、例えば、レジストマスクとすることができる。マスクパターン100は、フォトリソグラフィ法を用いて形成することができる。
次に、図4(c)に示すように、マスクパターン100の開口部100aを介してエピタキシャル層3および基板2をエッチングし、トレンチ11を形成する。
トレンチ11は、エピタキシャル層3を貫通し、基板2に到達している。トレンチ11は、エピタキシャル層3の表面に開口している。
トレンチ11の幅寸法(X方向またはY方向の寸法)は、30μm以上100μm以下とすることができる。
トレンチ11の深さ寸法(Z方向の寸法)は、50μm以上とすることができる。
エピタキシャル層3および基板2のエッチングは、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法などを用いて行うことができる。
続いて、マスクパターン100を除去する。
マスクパターン100の除去は、例えば、ドライアッシング法やウェットアッシング法などを用いて行うことができる。
次に、トレンチ11の内部に絶縁膜12を埋め込む。
例えば、固相法(固相反応法、セラミックス法などとも称する)を用いてトレンチ11の内部にセラミックスを含む絶縁膜12を埋め込む。
ここで、本発明者らの得た知見によれば、炭酸塩と酸化物とを含む粉末原料と、溶媒とを混合した流動体をトレンチ11に充填し、これを焼成して絶縁膜12を形成するようにすれば、生産性を格段に向上させることができる。
例えば、炭酸塩を炭酸バリウム(BaCO)とし、酸化物を二酸化チタン(TiO)とし、焼成することでチタン酸バリウムを含む絶縁膜12を形成することを例示することができる。
図4(d)に示すように、トレンチ11の内部に絶縁膜12となる流動体12aを充填する。
絶縁膜12となる流動体12aは、炭酸バリウムと、二酸化チタンと、水などの溶媒とを混合したものとすることができる。
絶縁膜12となる流動体12aの充填は、例えば、ディスペンス法を用いて行うことができる。ただし、ディスペンス法に限定されるわけではなく、例えば、スピンコート法などを用いて流動体12aを充填することもできる。
次に、図5に示すように、流動体12aを焼成してチタン酸バリウムを生成することで、トレンチ11の内部にチタン酸バリウムを含む絶縁膜12を埋め込む。
この場合、炭酸バリウムと二酸化チタンを含む流動体12aを焼成すると、以下の化学式の反応が進み、チタン酸バリウムを含む絶縁膜12が形成される。
BaCO+TiO→BaTiO+CO
焼成温度は、例えば、900℃以上1200℃以下とすることができる。
続いて、エピタキシャル層3の表面にある余分なチタン酸バリウムを除去する。
余分なチタン酸バリウムの除去は、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを用いて行うことができる。
次に、素子領域41に素子部20および電極部30を形成する。
図6(a)に示すように、ベース領域4とソース領域5を形成する。
例えば、所望の開口部を有するマスクパターンをエピタキシャル層3の上に形成する。 続いて、マスクパターンの開口部を介してp形の不純物をエピタキシャル層3に注入し、熱拡散させることで、p形の半導体からなるベース領域4を形成する。
続いて、所望の開口部を有するマスクパターンをベース領域4の上に形成する。
続いて、マスクパターンの開口部を介してn形の不純物をベース領域4に注入し、熱拡散させることでn形の半導体からなるソース領域5を形成する。
次に、図6(b)に示すように、所望の開口部を有するマスクパターンをエピタキシャル層3、ベース領域4、およびソース領域5の上に形成し、RIE法などを用いてトレンチ6を形成する。トレンチ6は、ベース領域4とソース領域5を貫通し、エピタキシャル層3に到達するようにする。トレンチ6は、ソース領域5の表面に開口し、Y方向に延びている。
次に、図6(c)に示すように、トレンチ6の内壁にゲート絶縁膜8を形成し、ゲート絶縁膜8の内側に不純物が添加されたポリシリコンを埋め込む。
続いて、ソース電極32を形成する領域に露出しているポリシリコンをエッチバックして、トレンチゲート7を形成する。
続いて、ポリシリコンをエッチバックした部分を絶縁性材料で埋めることで、トレンチゲート7を覆う絶縁膜8を形成する。
続いて、エピタキシャル層3、ベース領域4、ソース領域5、および絶縁膜8の上に絶縁膜10となる膜10aを形成する。膜10aは、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)などから形成することができる。膜10aの厚み寸法は、例えば、500nm〜1000nm程度とすることができる。
続いて、所望の開口部を有するマスクパターンを膜10aの上に形成し、RIE法などを用いて、ゲート電極31の接続部31bを形成する領域、およびソース電極32を形成する領域に開口部を形成して、開口部を有する絶縁膜10を形成する。
また、基板2のエピタキシャル層3が設けられる側とは反対側に、アルミニウムなどの金属からなるドレイン電極9を形成する。なお、ドレイン電極9の形成は、例えば、絶縁膜10を形成した後であってもよいし、前述したエピタキシャル層3を形成する前であってもよい。
以上のようにして素子部20を形成することができる。
なお、基板2、エピタキシャル層3、ベース領域4、ソース領域5、トレンチ6、トレンチゲート7、ゲート絶縁膜8、ドレイン電極9、および絶縁膜10の材料、寸法、形状などや、成膜方法、エッチング方法、および熱拡散方法などには既知の技術を適用することができるので詳細な説明は省略する。また、トレンチゲート7などの数は、適宜変更することができる。
次に、電極部30の形成について例示をする。
まず、図7(a)に示すように、絶縁膜10の上にバリア層33となる膜33aを形成する。
膜33aは、例えば、スパッタリング法などを用いて形成することができる。
膜33aの材料は、例えば、チタン、チタンタングステン、窒化チタンなどとすることができる。
膜33aの厚み寸法は、例えば、300nm〜500nm程度とすることができる。
次に、図7(b)に示すように、膜33aの上にマスク50を形成する。
マスク50を形成する際には、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて開口部50a、50bが形成される。
開口部50aは、ゲート電極31の本体部31aおよび接続部31bが形成される領域に形成される。
開口部50bは、ソース電極32が形成される領域に形成される。
マスク50の材料は、例えば、フォトレジストなどとすることができる。
マスク50の厚み寸法は、例えば、金属層37の厚み寸法よりも長くすることができる。マスク50の厚み寸法は、例えば、5μm〜10μm程度とすることができる。
次に、図7(c)に示すように、マスク50の開口部50a、50bの内部に金属層37を形成する。
金属層37は、例えば、めっき法を用いて形成することができる。
電気めっき法を用いて金属層37を形成する場合には、膜33aの上に銅などからなるシード層を形成しておけばよい。なお、無電解めっき法を用いて金属層37を形成する場合には、シード層を形成する必要はない。
続いて、マスク50を除去する。
マスク50は、例えば、ドライアッシング法やウェットアッシング法などを用いて除去することができる。
次に、図8(a)に示すように、金属層37をマスクとして膜33aをエッチングし、バリア層33を形成する。
膜33aは、例えば、アルカリ系のエッチング液を用いるウェットエッチング法により除去することができる。なお、RIE法などのドライエッチング法を用いて膜33aを除去することもできる。
次に、図8(b)に示すように、バリア層33および金属層37からなる積層体の露出面を覆うように、金属層38となる膜38aを形成する。この際、積層体の露出面を覆うように下地層を形成し、下地層の上に膜38aを形成することもできる。
例えば、Ni/Pd、ニッケル、スズなどからなる下地層を形成し、下地層の上に金、パラジウム、白金などからなる膜38aを形成する。下地層の厚み寸法は1μm〜2μm程度、膜38aの厚み寸法は0.05μm程度とすることができる。
下地層と膜38aは、無電解めっき法を用いて形成することができる。
そして、積層体の露出面以外に形成された下地層と膜38aを除去して金属層38を形成する。
積層体の露出面以外の部分に形成された下地層と膜38aは、例えば、ウェットエッチング法やドライエッチング法を用いて除去することができる。
次に、図9(a)に示すように、金属層38の表面を覆うように絶縁層39を形成する。 この際、金属層37の上面に設けられた金属層38が露出するように開口部39aが形成される。
絶縁層39は、例えば、ポリイミド、永久レジスト、P−SiN、P−SiOなどから形成することができる。絶縁層39は、単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。 絶縁層39は、例えば、印刷法、フォトリソグラフィ法などを用いて形成することができる。
絶縁層39の厚み寸法は、例えば、1μm〜20μm程度とすることができる。
ゲート電極31およびソース電極32を保護するための絶縁層39は、必要に応じて形成される。
以上のようにして電極部30を形成することができる。
次に、図9(b)に示すように、ダイシングライン200に沿って切断することで、各半導体装置1毎に分離する。例えば、ダイシングソーを用いてダイシングライン200に沿って切断することで、各半導体装置1毎に分離する。
なお、半導体装置1を個別に製造する場合には、各半導体装置1毎に分離する工程は設ける必要がない。
以上のようにして、素子領域41の周囲を囲むように埋め込まれた絶縁膜12を有する半導体装置1を製造することができる。
チタン酸バリウムを含む絶縁膜12は、高い耐熱性を有する。そのため、トレンチ11の内部に絶縁膜12を埋め込み、その後、素子領域41に素子部20および電極部30を形成することが可能となる。すなわち、素子部20を形成する際には、例えば、熱拡散工程などにおいて加熱が行われることになる。しかしながら、チタン酸バリウムは高い耐熱性を有するので、加熱による変質や破損などが発生するおそれが少ない。
また、粉末原料(例えば、炭酸バリウムと二酸化チタン)と溶媒を混合した流動体12aをトレンチ11の内部に充填し、その後、焼成することでセラミックス(例えば、チタン酸バリウム)を含む絶縁膜12を形成することが可能となる。そのため、トレンチ11の深さ寸法が長い場合であっても、カバレッジが悪化するのを抑制することができる。
その結果、生産性の向上を図ることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
1 半導体装置、2 基板、3 エピタキシャル層、4 ベース領域、5 ソース領域、6 トレンチ、7 トレンチゲート、8 ゲート絶縁膜、9 ドレイン電極、10 絶縁膜、11 トレンチ、12 絶縁膜、20 素子部、30 電極部、31 ゲート電極、31a 本体部、31b 接続部、32 ソース電極、33 バリア層、37 金属層、38 金属層、41 素子領域、42 終端領域

Claims (5)

  1. 基板の素子領域の周囲に設けられた終端領域に、前記素子領域を囲むトレンチを形成する工程と、
    炭酸バリウムと、二酸化チタンと、溶媒と、を混合した流動体を前記トレンチに充填する工程と、
    前記トレンチに充填された流動体を焼成して、チタン酸バリウムを含む絶縁膜を前記トレンチに埋め込む工程と、
    前記素子領域に素子部を形成する工程と、
    を備えた半導体装置の製造方法。
  2. 基板の素子領域の周囲に設けられた終端領域に、前記素子領域を囲むトレンチを形成する工程と、
    炭酸塩と酸化物とを含む粉末原料と、溶媒と、を混合した流動体を前記トレンチに充填する工程と、
    前記トレンチに充填された流動体を焼成して絶縁膜を前記トレンチに埋め込む工程と、
    前記素子領域に素子部を形成する工程と、
    を備えた半導体装置の製造方法。
  3. 前記炭酸塩は、炭酸バリウムであり、
    前記酸化物は、二酸化チタンであり、
    前記トレンチに充填された流動体を焼成して絶縁膜を前記トレンチに埋め込む工程において、
    チタン酸バリウムを含む絶縁膜が前記トレンチに埋め込まれる請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記素子領域に素子部を形成する工程は、前記トレンチに充填された流動体を焼成して絶縁膜を前記トレンチに埋め込む工程の後に実行される請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 素子部が設けられた素子領域と、
    前記素子領域の周囲に設けられた終端領域と、
    前記終端領域に設けられ、前記素子領域を囲むトレンチと、
    前記トレンチに埋め込まれ、チタン酸バリウムを含む絶縁膜と、
    を備えた半導体装置。
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