JP2015179774A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a method for manufacturing a semiconductor device.
大電流及び高耐圧向けの半導体装置は、半導体装置の縦方向に電流を流す素子領域と、その素子領域を取り囲む終端領域を備える。終端領域では、高耐圧を達成するために、半導体装置の素子領域から外周端に向かって空乏層が伸びやすくなるような工夫がなされる。 A semiconductor device for high current and high withstand voltage includes an element region in which current flows in the vertical direction of the semiconductor device, and a termination region surrounding the element region. In the termination region, in order to achieve a high breakdown voltage, a contrivance is made so that the depletion layer easily extends from the element region of the semiconductor device toward the outer peripheral end.
例えば、終端領域において、半導体装置の素子領域から終端領域に向かう方向に複数の半導体領域が形成される、ガードリング構造等が挙げられる。また、半導体装置の素子領域の微細化に伴い、終端領域に設けられたガードリング構造の微細化も求められている。 For example, a guard ring structure in which a plurality of semiconductor regions are formed in the termination region in a direction from the element region of the semiconductor device toward the termination region can be given. In addition, with the miniaturization of the element region of the semiconductor device, the guard ring structure provided in the termination region is also required to be miniaturized.
本発明が解決しようとする課題は、特性悪化を抑制しながら、素子の微細化を可能とする半導体装置の製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that enables miniaturization of elements while suppressing deterioration of characteristics.
実施形態の半導体装置の製造方法は、素子領域と、前記素子領域を囲み、第1導電型の半導体領域が複数設けられた終端領域とを有する第2導電型の半導体基板上に設けられ、前記半導体領域上に第1開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記開口部及び前記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に保護膜を形成する工程と、前記保護膜上に設けられ、前記絶縁膜の上部に第2開口部を有するレジストを形成する工程と、前記第2開口部の下に位置する前記保護膜をドライエッチングで除去する工程と、前記第2開口部の下に位置する前記金属膜をウェットエッチングで除去する工程と、を有する。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment is provided on a second conductivity type semiconductor substrate having an element region and a termination region surrounding the element region and provided with a plurality of first conductivity type semiconductor regions, Forming an insulating film having a first opening on the semiconductor region; forming a metal film on the opening and the insulating film; forming a protective film on the metal film; and A step of forming a resist provided on the film and having a second opening on the insulating film; a step of removing the protective film located under the second opening by dry etching; and the second Removing the metal film located under the opening by wet etching.
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。実施例中の説明で使用する図は、説明を容易にするための模式的なものであり、図中の各要素の形状、寸法、大小関係などは、実際の実施においては必ずしも図に示されたとおりとは限らず、本発明の効果が得られる範囲内で適宜変更可能である。第1導電形をN型で、第2導電形をP型で説明するが、それぞれこの逆の導電型とすることも可能である。半導体としては、シリコンを一例に説明するが、炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの化合物半導体にも適用可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings used in the description in the embodiments are schematic for ease of description, and the shape, size, magnitude relationship, etc. of each element in the drawings are not necessarily shown in the drawings in actual implementation. The present invention is not limited to the above, and can be appropriately changed within a range where the effects of the present invention can be obtained. The first conductivity type will be described as N-type, and the second conductivity type will be described as P-type. However, the opposite conductivity types may be used. As a semiconductor, silicon will be described as an example, but it can also be applied to a compound semiconductor such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
図1および図2を用いて、本発明の実施形態に係る半導体装置1について説明する。図1は本実施形態に係る半導体装置1の構造を示す平面図、及び図2は図1に示すA−A’線における断面を示す断面図を示している。なお、図1においては、P型ベース領域3、絶縁膜5、ソース電極6、ガードリング電極7、及びパッシベーション膜8を省略した平面図を示している。
A
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、半導体素子が形成され積層方向(縦方向)に電流が流れる素子領域31と、素子領域31を水平面内で取り囲む終端領域30とを有するN型半導体基板2(半導体基板)から構成される。半導体装置1は矩形であり、4つの辺部と、辺部と辺部とをつなぐ4つのコーナー部を有する。本実施形態に係る半導体装置1は、一例として素子領域31にMOSFETの半導体素子が形成された構造について説明される。なお、これに限定されることなく、以後の実施形態を含め本発明の実施形態は、素子領域31がダイオード、またはIGBTなどの他の電力用半導体素子が形成される場合にも適用可能である。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態に係る半導体装置1は、N型半導体基板2、P型ベース領域3、P型ガードリング領域4(半導体領域)、絶縁膜5、ソース電極6、ガードリング電極7、パッシベーション膜8、及びドレイン電極12を備える。N型半導体基板2は例えば、シリコン基板である。
The
N型半導体基板2は、第1の表面と、これとは反対側に第2の表面を有する。P型ベース領域3は、N型半導体基板2の第1の表面に選択的に形成される。本実施形態ではMOSFETを例に説明するので、P型ベース領域3は複数形成される。N型半導体基板2の第1の表面でP型ベース領域3が形成される領域は、後述するように積層方向(縦方向)に電流が流れる素子領域31となる。
The N-
複数のP型ベース領域3のうち、最も半導体装置1の外周端側のP型ベース領域3に、素子領域31と終端領域30の境界が存在する。終端領域30は、N型半導体基板2の第1の表面において、素子領域31の外側を占める。すなわち、終端領域30は、N型半導体基板2に平行な水平面内において、素子領域31を取り囲む。終端領域30は、後述するように、MOSFETがオン状態の時の動作電流は流れず、オフ状態の時に、最もチップの外周端側のP型ベース領域3の外周端からチップの外周端に向かって空乏層が広がる領域である。
Among the plurality of P-
P型ガードリング領域4は、N型半導体基板2の第1の表面において、最も外周端側のP型ベース領域3の外周端から、半導体装置1の外周端の間の領域(すなわち終端領域30)に、設けられる。P型ガードリング領域4は、P型ベース領域3全体を取り囲む環状構造である。P型ガードリング領域4は、図1に示したように、平面図において矩形の環状構造を有し、4つの辺部と、4つのコーナー部を有する。P型ガードリング領域4の辺部は、半導体装置1の外周端に沿って直線状にN型半導体基板2の第1の表面を延伸する。P型ガードリング領域4のコーナー部は、N型半導体基板2の第1の表面において円弧状の構造を有する。本実施形態では、このような形状のP型ガードリング領域4が3つ設けられ、これらは互いに離間している。P型ガードリング領域4のP型不純物の不純物濃度は、P型ベース領域3のP型不純物の不純物濃度よりも高いほうが、後述する素子領域31から終端領域30へ向かう方向における、空乏層の広がりを促進できる。
The P-type
絶縁膜5が、N型半導体基板2の第1の表面上、P型ベース領域3上、及びP型ガードリング領域4上を、覆うように設けられる。絶縁膜5は、絶縁体であり、例えば酸化シリコンであるが、窒化シリコン、酸窒化シリコンなどの他の絶縁体とすることも可能である。
An
ソース電極6が、P型ベース領域3上にそれぞれ設けられた絶縁膜5の開口部(第1開口部)を介して、P型ベース領域3に電気的に接続するように設けられる。複数のフィールドプレート電極7のそれぞれは、複数のP型ガードリング領域4の上に沿って環状に設けられる。複数のフィールドプレート電極7のそれぞれは、複数のP型ガードリング領域4のそれぞれの上に設けられた絶縁膜5の開口部(第1開口部)を介して、それぞれのP型ガードリング領域4と電気的に接続される。また、複数のフィールドプレート電極7のそれぞれは、互いに離間し絶縁される。ドレイン電極12は、N型半導体基板2の第2の表面上に電気的に接続するように設けられる。ソース電極6、フィールドプレート電極7、及びドレイン電極12は、例えば、銅またはアルミニウムなどの金属用いられるが、他の金属とすることも可能である。
A source electrode 6 is provided so as to be electrically connected to the P-
パッシベーション膜8は、素子領域31の一部から終端領域30全体において、ソース電極6、フィールドプレート電極7、及び絶縁膜5を覆うように設けられる。パッシベーション膜8は、ソース電極6上に開口を有し、この開口部を介して、ソース電極6は、チップ外のソース端子まで引き出される(詳細は図示せず)。パッシベーション膜8は、絶縁体であり、例えば、酸化シリコンが用いられるが、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は、ポリイミド等の絶縁体とすることも可能である。
The
素子領域31には、MOSFETである半導体素子が形成されている。図示しないN型のソース層が、複数のP型ベース領域3のそれぞれに選択的に形成される。ゲート電極が、N型ソース層とN型半導体基板2との間におけるP型ベース領域3上にゲート絶縁膜を介して設けられる(図示せず)。MOSFETは、上記ゲート電極、ソース電極6、ドレイン電極12、N型ソース層、P型ベース領域3、及びN型半導体基板2を有する。このゲート電極によって、ソース電極6とドレイン電極12との間に流れる電流が制御される。
In the
本実施形態では、素子領域31に形成される半導体素子がMOSFETの場合を例に説明するが、互いに対向する電極間に電流が流れる半導体素子であれば、素子領域31にダイオードまたはIGBTなどの他の半導体素子が形成されることも可能である。
In the present embodiment, the case where the semiconductor element formed in the
素子領域31にダイオードが形成される場合は、P型ベース領域3はアノード層として機能し、素子領域31には、必ずしも複数のアノード層が形成される必要はない。また、N型半導体基板2は、カソード層として機能する。その際、ソース電極6はアノード電極であり、ドレイン電極12はカソード電極である。
When a diode is formed in the
素子領域31にIGBTが形成される場合は、上記MOSFETが形成される場合において、nN型半導体基板2とドレイン電極12との間に、さらにP型コレクタ層が設けられる。その際、ドレイン電極12はコレクタ電極であり、ソース電極6はエミッタ電極である。
When an IGBT is formed in the
次に、本実施形態に係る半導体装置1の製造方法について図3を用いて説明する。図3A〜Eは、本実施形態に係る半導体装置1の製造プロセス毎について断面構造を示す断面図を示している。
Next, a method for manufacturing the
まず、前述したようにN型半導体基板2において、素子領域31にはP型ベース領域3、終端領域30にはP型ガードリング領域4がイオン注入により形成される。P型半導体領域を形成する場合、例えば、N型半導体基板2にボロン(B)がイオン注入される。なお、本実施形態では図示しないが、N型半導体基板2上にN型半導体層をエピタキシャル成長させ、そのN型半導体層にイオン注入することによりP型ベース領域3及びP型ガードリング領域4を形成してもよい。
First, as described above, in the N-
P型ベース領域3及びP型ガードリング領域4が形成されたN型半導体基板2上に、絶縁膜5が熱酸化法や化学気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法などにより形成される。絶縁膜5は、P型ベース領域3及びP型ガードリング領域4の上部に第1開口部20を有するように、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)法により図3Aに示されるようにエッチングされる。
An insulating
次に、第1開口部20を埋め込むように、絶縁膜5上に金属膜9がスパッタ法などにより形成される。そして、金属膜9上には窒化シリコン膜10(保護膜)、窒化シリコン膜10上にはレジスト11が形成され、半導体装置1は図3Bに示される構造になる。なお、本実施形態では窒化シリコン膜10を用いたが、後述する効果を得るためには窒化シリコン膜に限らない。窒化シリコン膜10は、金属膜9よりもウェットエッチングされ難い膜であれば実施は可能である。また、金属膜9には、例えば、アルミニウム(Al)やアルミニウム化合物などが用いられる。
Next, a
図3Cに示すように、レジスト11には複数の第2開口部21が露光などによって形成される。第2開口部21は、隣接するP型ガードリング領域4間に位置する絶縁膜5の上部、及び最も素子領域31に近接するP型ガードリング領域4とP型ベース領域3との間に位置する絶縁膜5の上部に形成される。すなわち、第2開口部21は、隣接する第1開口部20間に形成される。また、素子領域31から最も離れたP型ガードリング領域4と、N型半導体基板2の端部との間に位置するレジスト11も除去される。
As shown in FIG. 3C, a plurality of second openings 21 are formed in the resist 11 by exposure or the like. The second opening 21 is located above the insulating
図3Dに示すように、第2開口部21により露出した部分の窒化シリコン膜10がドライエッチングによって除去される。異方性エッチングのため、窒化シリコン膜10は第2開口部21の形状をほぼ反映して除去される。すなわち、エッチングされた窒化シリコン膜10の側面はほぼ垂直な形状を有する。
As shown in FIG. 3D, the portion of the
そして、除去された窒化シリコン膜10により露出した部分の金属膜9がウェットエッチングによって除去され、半導体装置1は図3Eに示すような構造になる。エッチングされた金属膜9は、素子領域31側に位置する部分がソース電極6、終端領域30側に位置する部分がフィールドプレート電極7となる。最終的に、素子領域31の一部から終端領域30全体においてパッシベーション膜8が設けられ、半導体装置1は図2に示すような構造になる。
Then, the portion of the
次に、本実施形態に係る半導体装置1の製造方法の効果について説明する。まず、本実施形態に係る半導体装置1の製造方法のように、製造工程において金属膜9上に窒化シリコン膜10を形成しない場合について説明する。その場合、金属膜9上に窒化シリコン膜10を形成せずに、金属膜9上にレジスト11を形成し、レジスト11に第2開口部21が形成される。その後、第2開口部21から露出した部分の金属膜9がウェットエッチングによって除去される。ウェットエッチングの場合、レジスト11の真下に位置する金属膜9にもエッチングが進む可能性がある。すなわち、金属膜9の一部をエッチングすることによって形成されるソース電極6とフィールドプレート電極7は、上部に広がった形状となる。半導体装置1の微細化に伴い、隣接するフィールドプレート電極7の間隔を狭くする必要があるが、上述したように電極が上部に広がった形状となると半導体装置1の微細化は困難となる。そのため、半導体装置1の微細化が進んだ際、隣接するフィールドプレート電極7の間隔を狭くすることができず、半導体装置1の耐圧増加や信頼性の確保が難しくなる。また、金属は一般的にドライエッチングで除去することは困難である。
Next, effects of the method for manufacturing the
本実施形態に係る半導体装置1の製造方法の場合、金属膜9とレジスト11との間に窒化シリコン膜10を形成し、第2開口部21から露出した窒化シリコン膜10をドライエッチングにより除去している。その後、ウェットエッチングによって金属膜9のエッチングを行うが、金属膜9とレジスト11との間に窒化シリコン膜10が設けられているため、レジスト11真下の金属膜9エッチングは抑制される。また、窒化シリコン膜10はウェットエッチングに対する耐性を有しているため、レジスト11真下の窒化シリコン膜10がエッチングされることもない。
In the method of manufacturing the
従って、本実施形態に係る半導体装置1の製造方法の場合、レジスト11真下の金属膜9がエッチングされるのを抑制できるため、半導体装置1の微細化が可能となる。すなわち、隣接するフィールドプレート電極7の間隔を狭くすることができるため、半導体装置1の耐圧と信頼性の確保が可能となる。
Therefore, in the case of the method for manufacturing the
なお、窒化シリコン膜10はシリコン基板に与える応力が比較的大きいため、窒化シリコン膜10を厚くすると、半導体装置1の製造工程においてN型半導体基板2が反る可能性がある。よって、窒化シリコン膜10の厚さは、金属膜9の厚さよりも小さいことが望ましい。
Since the
また、本実施形態においては窒化シリコン膜10を用いた場合について説明したが、窒化シリコンに限らず、ドライエッチングによる除去が可能で、ウェットエッチングに対する耐性があれば実施は可能である。
In this embodiment, the case where the
上記説明した製造方法はあくまで一例であり、素子部と終端部の形成順序等は特に限定されない。また、成膜方法についてはCVD法の他に、原子層単体での成長制御が可能な原子層成長(Atomic Layer Deposition;ALD)法や、スパッタ法、物理気相成長(Physical Vapor Deposition;PVD)法、塗布法、及び噴霧法等でも実施は可能である。 The manufacturing method described above is merely an example, and the order of forming the element part and the terminal part is not particularly limited. In addition to the CVD method, the film formation method is an atomic layer deposition (ALD) method capable of controlling the growth of a single atomic layer, a sputtering method, or a physical vapor deposition (PVD) method. It can also be carried out by a method, a coating method, a spraying method, or the like.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…半導体装置、2…N型半導体基板(半導体基板)、3…P型ベース領域、4…P型ガードリング領域(半導体領域)、5…絶縁膜、6…ソース電極、7…フィールドプレート電極、8…パッシベーション膜、9…金属膜、10…窒化シリコン膜(保護膜)、11…レジスト、12…ドレイン電極、20…第1開口部、21…第2開口部、30…終端領域、31…素子領域
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記開口部及び前記絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上に設けられ、前記絶縁膜の上部に第2開口部を有するレジストを形成する工程と、
前記第2開口部の下に位置する前記保護膜をドライエッチングで除去する工程と、
前記第2開口部の下に位置する前記金属膜をウェットエッチングで除去する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 Provided on a second conductivity type semiconductor substrate having an element region and a termination region surrounding the element region and provided with a plurality of first conductivity type semiconductor regions, and having a first opening on the semiconductor region Forming an insulating film;
Forming a metal film on the opening and the insulating film;
Forming a protective film on the metal film;
Forming a resist provided on the protective film and having a second opening on the insulating film;
Removing the protective film located under the second opening by dry etching;
Removing the metal film located under the second opening by wet etching;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
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