JP2014236124A - 半導体装置、半導体装置の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、終端構造におけるリーク電流の発生位置を迅速かつ正確に特定できる半導体装置と半導体装置の検査方法を提供することを目的とする。【解決手段】基板４０と、該基板に形成されたセル構造１２と、該基板に、該セル構造を囲むように形成された終端構造１６とを備え、該終端構造は、該基板の上に形成された複数の金属部２８を備える。該複数の金属部は、平面視で該セル構造を囲む同心円状に形成され、かつ平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、セル構造とセル構造の周りに形成された終端構造を備えた半導体装置、及びその半導体装置の検査方法に関する。

半導体装置の耐圧保持を目的に、主電流を流すセル構造の周囲に終端構造を形成することがある。特許文献１には、終端構造に２層のフィールドプレートを有する半導体装置が開示されている。これらのフィールドプレートは、終端構造における電界分布を略均等とするために設けられている。

特開２０１０−２４５２８１号公報

半導体装置に定格電圧を印加したときに、終端構造においてリーク電流が発生することがある。リーク電流が発生している位置を迅速かつ正確に特定する必要がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、終端構造におけるリーク電流の発生位置を迅速かつ正確に特定できる半導体装置と半導体装置の検査方法を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置は、基板と、該基板に形成されたセル構造と、該基板に、該セル構造を囲むように形成された終端構造とを備え、該終端構造は、該基板の上に形成された複数の金属部を備え、該複数の金属部は、平面視で該セル構造を囲む同心円状に形成され、かつ平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状であることを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置の検査方法は、基板と、該基板に形成されたセル構造と、該基板に、該セル構造を囲むように形成された終端構造と、平面視で該セル構造を囲む同心円状に形成された該終端構造の一部である複数の金属部と、該基板の裏面に形成された裏面電極と、を備えた半導体装置の、該裏面電極を除去する工程と、該終端構造の該基板の上に平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状で形成された該複数の金属部を、該基板の裏面側から見たパターン像を生成する工程と、該半導体装置に定格電圧を印加して該終端構造のリーク電流を発生させつつ、該基板の裏面側から見た該リーク電流による発光部分が示された発光像を生成する工程と、該パターン像と該発光像を重ね合わせて、該凹部と該凸部を基準として該発光部分の位置を特定する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、終端構造の複数の金属部に凹部と凸部を設けたので、終端構造におけるリーク電流の発生位置を迅速かつ正確に特定できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。 第１上部フィールドプレートの一部を拡大した斜視図である。 上部フィールドプレートの一部平面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ破線における断面図である。 図１のＶ−Ｖ破線における断面図である。 パターン像を示す図である。 発光像を示す図である。 図６のパターン像と図７の発光像を重ね合わせた図である。 図８の破線で囲まれた領域で取得したパターン像と発光像を重ね合わせた図である。 半導体装置の表面全体を表示した平面図に、発光部分を追加した図である。 図１０の発光部分を含む部分についての断面図である。 本発明の実施の形態２に係る上部フィールドプレートの平面図である。 本発明の実施の形態３に係る上部フィールドプレートの平面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の検査方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

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１０の平面図である。この半導体装置１０はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップで形成されている。この半導体装置１０は主電流を流すセル構造１２を備えている。セル構造１２の主電流を制御するためのゲート駆動信号はゲートパッド１４から供給される。

セル構造１２を囲むように終端構造１６が形成されている。終端構造１６は、第１上部フィールドプレート２０、第２上部フィールドプレート２２、第３上部フィールドプレート２４、及び第４上部フィールドプレート２６を備えている。第１〜第４上部フィールドプレート２０、２２、２４、２６をまとめて上部フィールドプレート２８と称する。上部フィールドプレート２８は例えばＡｌで形成されている。

上部フィールドプレート２８は、平面視でセル構造１２を囲む同心円状に形成されている。上部フィールドプレート２８を構成する各フィールドプレートは、平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状となっている。例えば第１上部フィールドプレート２０は凹部２０ａと凸部２０ｂが交互に並んだ形状となっている。上部フィールドプレート２８の外側に第５上部フィールドプレート３０が形成されている。終端構造１６のうち、第１上部フィールドプレート２０も第５上部フィールドプレート３０も形成されていない部分には絶縁層３２が露出している。

図２は、第１上部フィールドプレート２０の一部を拡大した斜視図である。第１上部フィールドプレート２０の凹部２０ａの幅Ｌ１と凸部２０ｂの幅Ｌ２は等しくなっている。図３は、上部フィールドプレート２８の一部平面図である。

図４は、図１の上部フィールドプレートの凹部を通るように引かれたＩＶ−ＩＶ破線における断面図である。半導体装置１０はｎ型の基板４０を備えている。基板４０にセル構造１２と終端構造１６が形成されている。終端構造１６は、基板４０の表面側に形成されたｐ型のリサーフ（REduced SURface Field）層４２を備えている。基板４０の表面側のうちセル構造１２側にはｐ型のウェル領域４４が形成されている。基板４０の表面側のうちセル構造１２と反対側にはｎ型のチャネルストッパ４６が形成されている。

リサーフ層４２の上には、例えばＳｉＯ_２で形成された絶縁層３２が形成されている。絶縁層３２の中には第１下部フィールドプレート５０、第２下部フィールドプレート５２、第３下部フィールドプレート５４、及び第４下部フィールドプレート５６が埋め込まれている。第１〜第４下部フィールドプレートをまとめて下部フィールドプレート５８と称する。下部フィールドプレート５８はポリシリコンで形成されている。下部フィールドプレート５８は平面視でセル構造１２を囲む同心円状の形状を有している。

絶縁層３２の上に上部フィールドプレート２８と第５上部フィールドプレート３０が形成されている。第１上部フィールドプレート２０はウェル領域４４と接している。第５上部フィールドプレート３０はチャネルストッパ４６と接している。半導体装置１０の表面には半導体装置１０を保護するために例えばＳｉＮでパッシベーション膜６０が形成されている。なお、断面図以外の図についてはパッシベーション膜６０を省略している。

下部フィールドプレート５８と上部フィールドプレート２８は平面視で一部が重なっている。例えば、第１下部フィールドプレート５０と第１上部フィールドプレート２０の凹部２０ａは平面視で長さＬａだけ重なっている。また、第１下部フィールドプレート５０と第２上部フィールドプレート２２は平面視で長さＬａだけ重なっている。第２〜第５上部フィールドプレートと第２〜第４下部フィールドプレートについても同様である。

セル構造１２について簡単に説明する。セル構造１２にはトレンチゲート７０が形成されている。トレンチゲート７０はゲート絶縁膜７２に覆われている。ゲート絶縁膜７２に接するようにエミッタ層７４とチャネル層７６が形成されている。

基板４０の裏面側にはｎ型のバッファ層８０とｐ型のコレクタ層８２が形成されている。コレクタ層８２の裏面には金属で裏面電極８４が形成されている。

図５は、図１の上部フィールドプレートの凸部を通るように引かれたＶ−Ｖ破線における断面図である。第１下部フィールドプレート５０と第１上部フィールドプレート２０の凸部２０ｂは平面視で長さＬｂだけ重なっている。ＬｂはＬａより大きい。他の凸部についても同様である。このように、上部フィールドプレートの凸部と下部フィールドプレートの重なり量は、上部フィールドプレートの凹部と下部フィールドプレートの重なり量より大きい。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の検査方法について説明する。この検査方法は、定格電圧を印加した半導体装置１０の終端領域でリーク電流が生じていると疑われる場合に、発光解析を利用して当該リーク電流の発生位置を特定するものである。

まず、除去工程を実施し、裏面電極８４を除去する。本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の検査方法では、リーク電流の発生位置における微弱な発光を基板の裏面側から検出する。しかし、基板４０の裏面側に金属で形成された裏面電極８４があると裏面電極８４が光を遮断して発光を検出できないので、裏面電極８４を除去する。

次いで、パターン像生成工程を実施し、パターン像を生成する。パターン像生成工程では、まず基板４０の裏面が上を向くように半導体装置１０を裏返す。そして、基板４０の裏面側から基板４０を透過する光を照射することで光学反射像であるパターン像を生成する。図６は、パターン像を示す図である。

次いで、発光像生成工程を実施し、発光像を生成する。発光像生成工程では、半導体装置１０に定格電圧を印加して終端構造のリーク電流を発生させつつ、基板４０の裏面側から見たリーク電流による発光部分を検出する。これにより、発光部分が示された発光像を生成する。図７は、発光部分１００が示された発光像を示す図である。このような発光像は、例えば高感度光検出顕微鏡等で半導体装置１０を裏面側から撮影して得られる。

次いで、パターン像と発光像を重ね合わせる。図８は、図６のパターン像と図７の発光像を重ね合わせた図である。図８により、リーク電流による発光部分の大まかな位置を把握することができる。しかし発光部分の位置の詳細な絞込みはできない。そこで、図８の破線で囲まれた領域に限定して再度発光解析（パターン像の生成と発光像の生成）を実施する。つまり、再度パターン像生成工程を実施して、図８の破線で囲まれた領域についてのパターン像を得る。また、再度発光像生成工程を実施して、図８の破線で囲まれた領域についての発光像を得る。

図９は、図８の破線で囲まれた領域で取得したパターン像と発光像を重ね合わせた図（以後、重ね合わせ図と称する）である。光学反射像であるパターン像には、金属の形状が表示されシリコンは表示されない。つまり、パターン像には金属で形成された上部フィールドプレート２８と第５上部フィールドプレート３０は表示される。ポリシリコンで形成された下部フィールドプレート５８はシリコンであるものの単結晶ではないため光が半透過する。従ってパターン像には下部フィールドプレート５８の形状が表示される。コレクタ層８２、バッファ層８０、基板４０、ウェル領域４４、リサーフ層４２、チャネルストッパ４６、及び絶縁層３２はシリコンで形成されているのでパターン像に表示されない。

従って、パターン像では３つの領域が表示される。第１の領域は、上部フィールドプレート２８（第１〜第４上部フィールドプレート２０、２２、２４、２６）と第５上部フィールドプレート３０が表示された領域である。第２の領域は、下部フィールドプレート５８（第１〜第４下部フィールドプレート５０、５２、５４、５６）が表示された領域である。

第３の領域は、平面視で下部フィールドプレート５８と上部フィールドプレート２８が重なる部分及び下部フィールドプレート５８と第５上部フィールドプレート３０が重なる部分である。図９において第３の領域は黒っぽく表示されている。上部フィールドプレートの凹部と凸部は、下部フィールドプレートの直上に形成されているので、第３の領域に属する。

次いで、図９の凹部と凸部等を基準として発光部分１００の位置を特定する。この工程を特定工程と称する。特定工程では、発光部分の横方向位置と縦方向位置を特定する。終端領域を直線部Ａと角部Ｂに分けると、発光部分１００は直線部Ａに位置している。従って直線部Ａの上部フィールドプレートを目印に発光部分１００の位置を特定する。

発光部分１００の横方向位置は、縦方向に伸びた上部フィールドプレート２８を目印に特定する。具体的には、発光部分１００の横方向位置は、第３上部フィールドプレート２４の凸部にあることが分かる。縦方向位置は、第３上部フィールドプレート２４の凹部と凸部を目印に特定する。具体的には、発光部分１００の縦方向位置は、直線部Ａの下（直線部Ａと角部Ｂの境界、以後単に境界と称する）から数えて５個目の凸部である。

ところで、図９は図１の半導体装置１０を裏返した状態で得られたパターン像と発光像を重ね合わせた図なので、図１と図９では左右が反転している。そのため、図９を左右反転させることで、半導体装置１０を表面から見たときにどの位置に発光部分があるのかが分かる。図１０は、半導体装置１０の表面全体を表示した平面図に、図９の発光部分１００の位置を左右反転させて表示した図である。図１０から、半導体装置１０を表面から見たときの発光部分１００は、右側の直線部Ａにおける第３上部フィールドプレート２４の境界から５個目の凸部にあることが分かる。なお、図１０から発光部分を詳細に特定できない場合は、図９から得られる詳細位置に基づいて発光部分の詳細位置を特定する。

このように、同心円状にセル構造１２を囲む第１〜第４上部フィールドプレート２０、２２、２４、２６を形成したので発光部分の横方向位置を特定できる。また、上部フィールドプレート２８を平面視で凹部と凸部を有するように形成したので凹部と凸部の数をカウントすることで、発光部分の縦方向位置を特定できる。従って、リーク電流の発生位置を迅速かつ正確に特定できる。

図１１は、図１０の発光部分１００を含む部分についての断面図である。図１１における破線で囲まれた領域でリークが発生しているので、この部分を物理解析の対象として具体的なリーク電流の発生原因を究明する。本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の検査方法は上記のとおりである。

ところで、上部フィールドプレートに凹部と凸部がない場合、重ね合わせ図から発光部分の縦方向位置を特定できない。そのため、発光像生成工程で用いた装置の座標系と物理解析装置の座標系の照合が必要となる。よって、解析の迅速性が損なわれる。また、照合精度が低い場合はリーク電流の発生位置の特定が不正確になる。

また、上部フィールドプレートに凹部と凸部がない場合のリーク電流の発生位置の特定方法として、発光箇所周辺にレーザーマーキングを施すことが考えられる。しかし、レーザ光によって破壊された部分でリーク電流が生じ、本来物理解析すべき部分とレーザ光によって破壊された部分の判別ができなくなる問題があった。

しかし、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の検査方法によれば、上部フィールドプレート２８の形状（凹部と凸部）を目印として、迅速かつ正確に発光部分１００の位置を特定できる。

ここで、裏面電極８４を除去する意義について説明する。終端構造１６の表面側にはアルミニウムで上部フィールドプレート２８が形成され、終端構造１６の裏面側には裏面電極８４が形成されている。そのため、パターン像と発光像を得るためには、上部フィールドプレート２８か裏面電極８４を除去しなければならない。

仮に上部フィールドプレート２８を除去した場合、定格電圧を印加したときのリサーフ層４２の電界分布が上部フィールドプレート２８除去前と比べて変化してしまう。電界分布の変化が新たなリーク電流を生じさせる可能性がある。従って、上部フィールドプレート２８は除去すべきではない。

一方、裏面電極８４を除去した場合、定格電圧を印加したときのリサーフ層４２の電界分布は裏面電極８４除去前と比べて変化しない。従って、裏面電極８４を除去することにより新たなリークの発生を回避して半導体装置１０を検査できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の重要な特徴は、終端構造において、平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状を有する「複数の金属部」を平面視でセル構造を囲む同心円状に形成したことである。凹部と凸部があることで複数の金属部の長さ方向の位置を特定できる。また、複数の金属部を同心円状に形成することで複数の金属部の幅方向の位置を特定できる。従って、上記の複数の金属部により、発光部分の位置特定に適したパターン像を生成することができる。

本発明の実施の形態１ではそのような「複数の金属部」として上部フィールドプレート２８を用いたが、上部フィールドプレート２８以外の部分を上記の「複数の金属部」としてもよい。要するに、上記の複数の金属部があれば、それがフィールドプレートでなくても本発明の効果が得られる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の終端構造１６はリサーフ層４２を備えたが、終端構造として、例えばＶＬＤ（Variation of Lateral Doping）構造又はフラットリサーフ構造を採用してもよい。

凹部の幅Ｌ１と凸部の幅Ｌ２は等しくなくても良い。凹部と凸部の幅は、どの程度の精度で発光部分の位置を特定すべきかを考慮して適宜定める。半導体装置は、ＩＧＢＴチップに限定されず、例えばＰＮ接合により整流を行うダイオード又はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等でも良い。

また、半導体装置はチップに限らず、例えば複数のＩＧＢＴチップが形成されたウエハでもよい。半導体装置の構成要素の導電型は適宜反転させても良い。パターン像生成工程の前に発光像生成工程を実施しても良い。なお、これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の検査方法にも応用できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置と半導体装置の検査方法は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図１２は、本発明の実施の形態２に係る上部フィールドプレート２８の平面図である。上部フィールドプレート２８の凹部と凸部の幅は、上部フィールドプレート２８の周方向に沿って不規則に変化している。つまり凹部と凸部の幅は不均一で規則性がない。また、ある凹部又は凸部を基準としたときに、その凹部又は凸部の周囲の上部フィールドプレート２８のパターンは特異な唯一無二のパターンとなっている。

本発明の実施の形態２に係る半導体装置の検査方法では、図８に対応する重ね合わせ図から、大まかな発光部分の位置と当該発光部分の周囲の上部フィールドプレート２８のパターンを記録する。ここで記録されたパターンを記録パターンと称する。次いで、半導体装置の表面側から記録パターンを探して、発光部分を特定する。

本発明の実施の形態２に係る半導体装置と半導体装置の検査方法によれば、実施の形態１のように上部フィールドプレート２８の凹部と凸部をカウントする必要がないので、迅速にリーク電流の発生位置を特定できる。また、唯一無二のパターンである記録パターンから一義的に発光部分の位置を特定できるので正確に発光部分の位置を特定できる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置と半導体装置の検査方法は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図１３は、本発明の実施の形態３に係る上部フィールドプレートの平面図である。第５上部フィールドプレート１５０は最もセル構造１２側の上部フィールドプレートである。第５上部フィールドプレート１５０はウェル領域４４に接続される。第１〜第４上部フィールドプレートの凹部と凸部は上部フィールドプレート２８の内周側（セル領域側）に形成されている。

実施の形態１では上部フィールドプレート２８の外周側に凹部と凸部を形成したが、図１３のように上部フィールドプレートの内周側に凹部と凸部を形成してもよい。なお、上記の各実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の検査方法の特徴を適宜に組み合わせても良い。

１０ 半導体装置、 １２ セル構造、 １４ ゲートパッド、 １６ 終端構造、 ２０ 第１上部フィールドプレート、 ２０ａ 凹部、 ２０ｂ 凸部、 ２２ 第２上部フィールドプレート、 ２４ 第３上部フィールドプレート、 ２６ 第４上部フィールドプレート、 ２８ 上部フィールドプレート、 ３０ 第５上部フィールドプレート、 ３２ 絶縁層、 ４０ 基板、 ４２ リサーフ層、 ４４ ウェル領域、 ４６ チャネルストッパ、 ５０ 第１下部フィールドプレート、 ５２ 第２下部フィールドプレート、 ５４ 第３下部フィールドプレート、 ５６ 第４下部フィールドプレート、 ５８ 下部フィールドプレート、 １００ 発光部分

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板に形成されたセル構造と、
   前記基板に、前記セル構造を囲むように形成された終端構造とを備え、
   前記終端構造は、前記基板の上に形成された複数の金属部を備え、
   前記複数の金属部は、平面視で前記セル構造を囲む同心円状に形成され、かつ平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記複数の金属部の周方向に沿って、前記凹部と前記凸部の幅が不規則に変化したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記凹部及び前記凸部は、前記複数の金属部の内周側又は外周側に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記終端構造は、
   前記基板の表面側に形成されたリサーフ層と、
   前記リサーフ層の上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層の中にポリシリコンで形成された、平面視で前記セル構造を囲む同心円状の形状を有する複数の下部フィールドプレートと、
   前記複数の金属部として、前記絶縁層の上に形成された上部フィールドプレートと、を有し、
   前記下部フィールドプレートと前記上部フィールドプレートは平面視で一部が重なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記凹部と前記凸部は前記下部フィールドプレートの直上に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記終端構造は、ＶＬＤ構造又はフラットリサーフ構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 基板と、前記基板に形成されたセル構造と、前記基板に、前記セル構造を囲むように形成された終端構造と、平面視で前記セル構造を囲む同心円状に形成された前記終端構造の一部である複数の金属部と、前記基板の裏面に形成された裏面電極と、を備えた半導体装置の、前記裏面電極を除去する工程と、
   前記終端構造の前記基板の上に平面視で凹部と凸部が交互に並んだ形状で形成された前記複数の金属部を、前記基板の裏面側から見たパターン像を生成する工程と、
   前記半導体装置に定格電圧を印加して前記終端構造のリーク電流を発生させつつ、前記基板の裏面側から見た前記リーク電流による発光部分が示された発光像を生成する工程と、
   前記パターン像と前記発光像を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部を基準として前記発光部分の位置を特定する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の検査方法。

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