JP2016207732A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】沿面放電の発生を抑制可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置は、電極１２を有する半導体素子１と、半導体素子１に隣接する終端構造２を構成し、電極１２と離間して配設されたチャネルストッパ２２と、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設されたアルミニウム配線２４と、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設され、アルミニウム配線２４を覆う絶縁膜４とを備える。絶縁膜４には、アルミニウム配線２４を露出する切込み部４ａが設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子の終端構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、電気鉄道用途などのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）及びダイオードなどの半導体素子には、高い耐圧が求められる。このような流れの中、これら半導体素子に、所望の耐圧を実現するための終端構造を設ける技術が提案されている（例えば特許文献１）。

具体的には、所望の電圧を保持するために、高電圧を維持するための空乏層と呼ばれる高絶縁層が半導体素子内部に形成されるように構成する。ただし、空乏層は、終端構造に隣接する半導体素子の主接合から横方向に位置する終端構造に延びていく傾向があるので、所望の電圧を安定して保持するためには、空乏層を半導体素子（チップ）の内部に留める必要がある。そこで、終端構造のうち最外周のチップ端には、空乏層を留めておくためのチャネルストッパと呼ばれる構造が設けられることもある。

特開２０００−１８３３６６号公報

一般的な終端構造を有する半導体装置では、耐圧の安定化及び信頼性の向上化の観点から、表側の電極とチャネルストッパとの間の最上面にポリイミドなどの絶縁性の膜が設けられる。しかしながら、表側の電極の電位を接地電位として、裏面から高電圧が印加される場合には、表側に配設されたチャネルストッパが、裏面の高電圧側の電位とほぼ同じとなることがある。しかも、昨今の終端構造の縮小化により、表側の電極とチャネルストッパとの間の沿面距離が短くなってきているので、それらの間で空気中を介して沿面放電を起こすことがあるという問題がある。

なお、実際の製品には、絶縁性を持つゲルや樹脂などの有機化合物が充填されるので、実際の製品において沿面放電は防止される。しかしながら、例えば半導体素子を製品に搭載する前のチップ単体の出荷検査時には、沿面放電の対策を実施する必要があるという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、沿面放電の発生を抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、電極を有する半導体素子と、前記半導体素子に隣接する終端構造を構成し、前記電極と離間して配設されたチャネルストッパと、アルミニウム配線、下地絶縁膜、及び、半絶縁性膜のいずれかからなり、平面視で前記電極と前記チャネルストッパとの間に配設された下地と、平面視で前記電極と前記チャネルストッパとの間に配設され、前記下地を覆う絶縁膜とを備え、前記絶縁膜には、前記下地を露出する切込み部が設けられている。

本発明によれば、切込み部によって沿面距離を長くすることができるので、沿面放電の発生を抑制することができる。

関連半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

＜関連半導体装置＞
まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置について説明する前に、それと関連する半導体装置（以下、「関連半導体装置」と記す）について説明する。

図１は関連半導体装置の構成を示す断面図である。この関連半導体装置は、半導体素子１と、終端構造２と、酸化膜３と、絶縁膜４とを備えている。これら半導体素子１、終端構造２、酸化膜３及び絶縁膜４は、例えば珪素またはワイドバンドギャップ半導体（炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド）からなるＮ型の半導体層５の表側面に配設されている。

半導体素子１は、Ｐ型半導体層１１と、電極１２とを備えている。Ｐ型半導体層１１は、半導体素子１の主接合を構成する構成要素であり、例えばＰ型の不純物を注入することによって半導体層５上部に配設されている。電極１２は、例えばＡｌまたはＡｌＳｉからなり、Ｐ型半導体層１１上に配設されている。なお、Ａｌはアルミニウムであり、Ｓｉは珪素である。

上述の半導体素子１には、例えば、プレーナ型のダイオード、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などが適用される。これに伴い、Ｐ型半導体層１１には、例えばアノード領域またはベース領域などが適用され、電極１２には、例えばアノード電極またはエミッタ電極などが適用される。ただし、半導体素子１は、電極１２を有すればよく、半導体素子１、Ｐ型半導体層１１及び電極１２は、上述の構成に限ったものではない。

終端構造２は、所望の耐圧を実現するために、半導体素子１に隣接して配設されている。終端構造２は、例えば、Ｐ型半導体層１１の最終端から半導体チップのチャネルストッパ２２の端（図１では右端）までの間の、長さＬの領域（終端構造領域）に配設される。

図１では、このような終端構造２が、ＦＬＲ（Field Limiting Ring）に適用されるＰ型半導体層２１と、チャネルストッパ２２と、チャネルストッパ電極２３と、アルミニウム配線２４とを備えている。

Ｐ型半導体層２１は、Ｐ型の不純物を注入することによって半導体層５上部に配設されている。複数のＰ型半導体層２１のそれぞれは、平面視にて半導体素子１を囲むリング形状を有しており（図示せず）、これらは、入れ子状に配設されている。なお、図１では、Ｐ型半導体層２１の数は５本であるが、その数はこれに限ったものではなく耐圧に応じて選択される。

チャネルストッパ２２は、終端構造２を構成する構成要素であり、チャネルストッパ２２は、電極１２と離間して最外周のチップの端に配設されている。チャネルストッパ２２は、例えば、Ｎ型の不純物の注入によって形成されたＮ＋＋型の半導体層が適用される。このチャネルストッパ２２を備える関連半導体装置では、空乏層を半導体素子１の内部に留めておくことが可能となり、その結果として所望の電圧を安定して保持することが可能となっている。

チャネルストッパ電極２３は、例えばＡｌからなり、チャネルストッパ２２上に配設されている。

酸化膜３は、平面視で電極１２とチャネルストッパ電極２３との間に配設されており、断面視でＰ型半導体層１１、Ｐ型半導体層２１及びチャネルストッパ２２上に配設されている。なお、酸化膜３には、Ｐ型半導体層２１上にコンタクトホールが設けられている。

アルミニウム配線２４は、終端構造２を構成する構成要素である。アルミニウム配線２４は、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設されており、Ｐ型半導体層２１と同様のリング形状を有している。アルミニウム配線２４は、断面視で酸化膜３上に配設されるとともに、酸化膜３のコンタクトホールを介してＰ型半導体層２１と接続されている。これにより、アルミニウム配線２４の電位は、ＦＬＲの電位と同じとなっている。

保護膜である絶縁膜４は、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設されており、下地であるアルミニウム配線２４を覆っている。絶縁膜４には、例えばポリイミドなどが適用される。なお、関連半導体装置では、絶縁膜４の上面はほぼ平坦となっている。

＜製造時の検査工程＞
以上のように構成された関連半導体装置には、製造時の検査工程において高電圧が印加される。高電圧印加時には、チャネルストッパ２２が高電位となり、その一方で、半導体素子１の電極１２が接地電位となる。つまり、製造時には、関連半導体装置に関して、電極１２とチャネルストッパ２２との間において電圧の発生を伴う検査が行われる。

この検査においては、チャネルストッパ２２と電極１２との間の沿面距離が短いほど、それらの間で空気中を介した沿面放電が生じやすくなる。つまり、沿面放電が生じるか否かは、それらの間の沿面距離に左右される。関連半導体装置の沿面距離Ｌ１は、終端構造２の長さＬとほぼ同じである。より精確には、沿面距離Ｌ１は、電極１２とチャネルストッパ２２との間の絶縁膜４の長さとほぼ同じである。

ここで、近年、チップの縮小化を行うために、終端構造２の長さＬが短くなってきており、これに伴い沿面距離Ｌ１も短くなってきている。この結果、製造時の検査工程において沿面放電が発生しないように、例えば、終端構造２をシリコンゴムで覆う構造をテスト治具に設ける等の特殊な対策を実施しなければならないという問題があった。これに対して、以下で説明するように、本発明の実施の形態１に係る半導体装置によればその問題を解決することが可能となっている。

＜実施の形態１＞
図２は、本実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。以下、本実施の形態１に係る半導体装置のうち、上述と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

本実施の形態１に係る半導体装置では、関連半導体装置と同様に、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設された絶縁膜４が、下地であるアルミニウム配線２４を覆っている。一方、本実施の形態１に係る半導体装置では、関連半導体装置と異なり、絶縁膜４が選択的に除去されたことによって、絶縁膜４には、アルミニウム配線２４を露出する切込み部４ａが設けられている。そして、絶縁膜４の切込み部４ａと、切込み部４ａから露出されたアルミニウム配線２４とによって凹部６が形成されている。

ここで、切込み部４ａの深さをα、切込み部４ａの本数（ＦＬＲの本数、アルミニウム配線２４の本数）をｎとする。図２に示す構成では、ｎ＝５である。この場合、本実施の形態１に係る半導体装置では、チャネルストッパ２２と電極１２との間の沿面距離Ｌ２は、Ｌ１＋２×α×ｎとなる。つまり、本実施の形態１に係る半導体装置によれば、関連半導体装置よりも２×α×ｎだけ沿面距離を長くすることができる。例えば、αが１０μｍであり、ｎが５である場合には、本実施の形態１に係る半導体装置の沿面距離Ｌ２が、関連半導体装置の沿面距離Ｌ１よりも１００μｍだけ長くなる。

以上のような本実施の形態１によれば、切込み部４ａによって沿面距離を長くすることができるので、沿面放電の発生を抑制することができる。この結果、検査時に特殊な対策の省略化が期待できる。また、製品使用時の耐圧性の向上も期待できる。

なお、以上の説明では絶縁膜４は一層の絶縁膜から構成されていたが、これに限ったものではなく、複数層の絶縁膜から構成されてもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１によれば沿面距離を長くすることができた。しかしながら、アルミニウム配線２４を絶縁膜４から露出させたくない場合がある。また、ＦＬＲの本数、及び、切込み部４ａの深さ（実質的には絶縁膜４の厚さ）に関わらず沿面距離をより長くしたい場合もある。これに対して、以下で説明するように、本発明の実施の形態２に係る半導体装置によればその問題を解決することが可能となっている。

図３は、本実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。以下、本実施の形態２に係る半導体装置のうち、上述と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

本実施の形態２に係る半導体装置では、下地絶縁膜７を備えている。この下地絶縁膜７は、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設されており、断面視で絶縁膜４の下地として配設されている。

平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設された絶縁膜４は、下地である下地絶縁膜７を覆っている。そして、絶縁膜４が選択的に除去されたことによって、絶縁膜４には、下地絶縁膜７を露出する切込み部４ａが設けられ、絶縁膜４の切込み部４ａと、切込み部４ａから露出された下地絶縁膜７とによって凹部６が形成されている。

ここで、切込み部４ａの深さをα、切込み部４ａの本数をｎとする。なお、図３に示す構成では、ｎ＝１７である。このような本実施の形態２に係る半導体装置によれば、関連半導体装置よりも２×α×ｎだけ沿面距離を長くすることができる。例えば、αが１０μｍであり、ｎが１７である場合には、本実施の形態２に係る半導体装置の沿面距離Ｌ２が、関連半導体装置の沿面距離Ｌ１よりも３４０μｍだけ長くなる。

以上のような本実施の形態２によれば、切込み部４ａによって沿面距離を長くすることができるので、沿面放電の発生を抑制することができる。また、そのような効果を、アルミニウム配線２４を絶縁膜４から露出させずに実現することができる。さらに、終端構造２の構成の影響を受けずに、沿面距離を長くすることができる。具体的には、切込み部４ａを形成する数をＦＬＲの数に関わらず増やすことができるので、実施の形態１よりも沿面距離を長くすることができる。また、終端構造２がＦＬＲを備えない構成、例えば終端構造２がリサーフ構造を備える構成にも適用することができる。

なお、以上の説明では下地絶縁膜７は一層の絶縁膜から構成されていたが、これに限ったものではなく、複数層の絶縁膜から構成されてもよい。

＜実施の形態３＞
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。以下、本実施の形態３に係る半導体装置のうち、上述と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

本実施の形態３に係る半導体装置では、半絶縁性膜８を備えている。この半絶縁性膜８は、平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設されており、断面視で絶縁膜４の下地として配設されている。なお、半絶縁性膜８には、例えば窒化珪素膜、ポリイミド等の絶縁膜にカーボン等の導電性材料を含めた膜などが適用される。

平面視で電極１２とチャネルストッパ２２との間に配設された絶縁膜４は、下地である半絶縁性膜８を覆っている。そして、絶縁膜４が選択的に除去されたことによって、絶縁膜４には、半絶縁性膜８を露出する切込み部４ａが設けられ、絶縁膜４の切込み部４ａと、切込み部４ａから露出された半絶縁性膜８とによって凹部６が形成されている。

以上のような本実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。また、半絶縁性膜８を用いることにより、耐圧を安定化することができる。なお、本実施の形態３において、終端構造２がＦＬＲを備える場合には、ＦＬＲ上のアルミニウム配線２４を省略してもよい。

＜実施の形態４＞
図５は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法が備える検査工程を示す断面図である。以下、本実施の形態４に係る半導体装置の検査工程うち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

本実施の形態４では、上述の検査工程の際に、終端構造２に電子線（ＥＢ：Electron Beam）を照射する。このような本実施の形態４に係る半導体装置の製造方法によれば、終端構造領域の半導体層５と酸化膜３との界面をプラス側に帯電させることができ、それによって空乏層の伸びを抑制することができる。したがって、例えば、表面の電位からの影響で空乏層が伸び過ぎる場合、または、終端構造領域におけるキャリアライフタイムを制御することが望まれる場合に有用である。なお、図５では、実施の形態１に係る半導体装置に本実施の形態４に係る製造方法を適用する状態が示されているが、もちろん実施の形態２及び３のそれぞれの半導体装置にも同様に適用することができる。

また、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、省略したりすることが可能である。

１ 半導体素子、２ 終端構造、４ 絶縁膜、４ａ 切込み部、７ 下地絶縁膜、８ 半絶縁性膜、１２ 電極、２１ Ｐ型半導体層、２２ チャネルストッパ、２４ アルミニウム配線。

Claims (4)

1. 電極を有する半導体素子と、
   前記半導体素子に隣接する終端構造を構成し、前記電極と離間して配設されたチャネルストッパと、
   アルミニウム配線、下地絶縁膜、及び、半絶縁性膜のいずれかからなり、平面視で前記電極と前記チャネルストッパとの間に配設された下地と、
   平面視で前記電極と前記チャネルストッパとの間に配設され、前記下地を覆う絶縁膜と
   を備え、
   前記絶縁膜には、前記下地を露出する切込み部が設けられた、半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記終端構造はＦＬＲ（Field Limiting Ring）を備える、半導体装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
   （ａ）前記電極と前記チャネルストッパとの間において電圧の発生を伴う前記半導体装置の検査を行う工程を備える、半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
   （ｂ）前記工程（ａ）の際に前記終端構造に電子線を照射する工程をさらに備える、半導体装置の製造方法。

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