JP2019153742A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高電圧が印加されて動作する半導体装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a semiconductor device that operates by applying a high voltage.
ショットキーダイオードやパワーMOSFET等のパワー半導体素子においては、表面における電極間、あるいは表面の電極と裏面の電極との間に高電圧が印加されて用いられるため、これらの電極間で放電(絶縁破壊)が発生しにくく耐圧が高いことが要求される。ここで、表面の電極と裏面の電極との間の絶縁破壊は、特に半導体素子の能動領域の外側の領域で発生する側面放電として知られている。 In power semiconductor devices such as Schottky diodes and power MOSFETs, a high voltage is applied between the electrodes on the front surface or between the front surface electrode and the back surface electrode. ) Is difficult to occur, and a high withstand pressure is required. Here, the dielectric breakdown between the electrode on the front surface and the electrode on the back surface is known as side discharge that occurs particularly in a region outside the active region of the semiconductor element.
特許文献1には、こうした側面放電を抑制することができる半導体装置が記載されている。この半導体装置においては、表面側において、電極を含む素子領域の周囲においてこの電極を囲むように厚い絶縁層が形成されることによって、素子領域を囲むように厚い絶縁層が形成される。これにより、表面において、素子領域は緩やかな曲面形状の内面をもつすり鉢状の絶縁層の底部に存在する形態とされる。また、この曲面形状の内面には、表面の電極(素子領域)と同電位とされたガイド電極が設けられる。これによって、素子領域の周囲で電界集中によって絶縁破壊が発生することが抑制され、側面放電が抑制されるために、この半導体装置の耐圧を高めることができる。
上記のように裏面側と表面側との間の電位差で絶縁破壊が発生する半導体装置においては、露出した絶縁層表面に沿って電流が流れる沿面放電が発生し、この沿面放電によって耐圧が制限される場合が多い。こうした点においては、特許文献1に記載の半導体装置においては、表面の電極あるいはその外側のガイド電極から外側の絶縁層の表面を介して電流が流れる場合があるため、この沿面放電を十分に抑制することは困難であった。このため、特許文献1に記載の半導体装置においては、裏面側と表面側との間の絶縁破壊(放電)を十分に抑制することは困難であった。このため、沿面放電を抑制することによって高い耐圧が得られる半導体装置が望まれた。
As described above, in a semiconductor device in which dielectric breakdown occurs due to a potential difference between the back surface side and the front surface side, a creeping discharge in which a current flows along the exposed insulating layer surface occurs, and the breakdown voltage is limited by the creeping discharge. There are many cases. In such a point, in the semiconductor device described in
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、平面視において、半導体基板の表面側における端部から離間した領域である素子領域に半導体素子が形成された半導体装置であって、平面視における前記素子領域と前記端部との間の領域である外周領域において、前記半導体基板が表面から掘下げられた溝が形成され、かつ前記外周領域における当該溝の内面及び前記半導体基板の表面に、当該溝の底面側における高さが前記表面よりも低くなるように、絶縁層が形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視において、前記溝は前記素子領域を囲むように形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記外周領域に前記溝が複数列形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体基板の表面側における前記素子領域、前記半導体基板の裏面側に、それぞれ主電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記溝は、深さに従って幅が狭くなるテーパー形状とされたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記溝は、深さに従って幅が広くなる逆テーパー形状とされたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記溝の内部において、前記絶縁層は、深さに従って厚く形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記溝の内部において、前記絶縁層は、深さに従って薄く形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体基板が、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor element is formed in an element region that is a region separated from an end on the surface side of the semiconductor substrate in plan view, and the element region and the end in plan view In the outer peripheral region that is a region between the groove and the semiconductor substrate, a groove is formed by digging from the surface, and the inner surface of the groove and the surface of the semiconductor substrate in the outer peripheral region have a height on the bottom surface side of the groove. An insulating layer is formed so that is lower than the surface.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the groove is formed so as to surround the element region in plan view.
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that a plurality of the grooves are formed in the outer peripheral region.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that a main electrode is formed on each of the element region on the front surface side of the semiconductor substrate and on the back surface side of the semiconductor substrate.
In the semiconductor device according to the present invention, the groove has a tapered shape whose width is narrowed according to the depth.
In the semiconductor device according to the present invention, the groove has an inversely tapered shape whose width increases with depth.
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the insulating layer is formed thicker in accordance with the depth inside the groove.
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the insulating layer is formed thinly in accordance with the depth inside the groove.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the semiconductor substrate is made of a wide band gap semiconductor material.
本発明は以上のように構成されているので、沿面放電を抑制することによって高い耐圧を得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, a high breakdown voltage can be obtained by suppressing creeping discharge.
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置においては、半導体基板の表面にパワー半導体素子となるショットキーバリアダイオード(SBD)が形成されており、そのショットキー接触する側の電極(アノード電極)が表面に設けられる。一方、そのカソード電極は裏面側に設けられ、特にオフ時においてはアノード電極とカソード電極との間には高電圧が印加される。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. In this semiconductor device, a Schottky barrier diode (SBD) serving as a power semiconductor element is formed on the surface of a semiconductor substrate, and an electrode (anode electrode) on the surface in contact with the Schottky is provided on the surface. On the other hand, the cathode electrode is provided on the back surface side, and a high voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode particularly when the cathode electrode is off.
図1は、この半導体装置1の構造を示す断面図である。ここでは、構造の特徴を単純化して示すために、縦横の比率等は実際とは異なった状態で構造が示されている。この半導体装置1は、半導体基板20に形成されている。半導体基板20を構成する半導体材料は、パワー半導体素子を構成しうる材料であり、シリコン(Si)、炭化珪素(SiC)、窒化物化合物半導体(GaN等)等である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the
半導体基板20においては、高濃度にn型にドープされたために導電性の高いn+層21の上に、SBDにおけるドリフト層となり低濃度にドープされたn型層(半導体層)22がエピタキシャル成長によって形成されている。n型層22の上には、n型層22とショットキー接触をするアノード電極層(主電極)30が局所的にn型層22と直接接するように形成される。図1においては単純化されて単一の層として記載されているが、実際にはアノード電極層30は、n型層22と直接接しn型層22との間でショットキー障壁を生成する金属で薄く構成されたショットキー電極層と、これよりも低抵抗であり厚く形成された配線金属層が含まれる積層構造となっている。
In the
また、アノード電極層30の外周部分と接する半導体基板20の表面には、ガードリングを構成するp型層23が形成されている。また、半導体基板20の裏面側には、n+層21とオーミック接触するカソード電極層(主電極)40が形成されている。この半導体装置1においては、表面側のアノード電極層30と裏面側のカソード電極層40との間には高電圧が印加される。このため、表面側においてショットキーバリアダイオードとして動作する領域の上には、ボンディングワイヤ等と電気的接触をとる部分を露出させる状態で、層間絶縁層50が形成されている。層間絶縁層50は絶縁抵抗の高いSiO2等でCVD法等によって厚く形成されている。アノード電極層30とカソード電極層40との間に順方向の電圧が印加された場合には、これらの間に大電流が流れる。この電流は、図1における素子領域X中で半導体基板20中を上下方向に流れる。
A p-
ここで、この半導体装置1においては、素子領域Xの外側から半導体基板20の端部E(外周)の間の領域である外周領域Yにおいて、図1において紙面と垂直方向に延伸するトレンチ(溝)Tが3列にわたり表面から半導体基板20に形成されている。図2は、この半導体装置1の表面からみた平面図であり、図1においては、このA−A方向の断面図が示されている。この半導体装置1においては、動作時に電流が流れる領域(素子領域X)は、平面視において実際にはアノード電極層30とほぼ等しい。図2において、トレンチTは、素子領域X(アノード電極層30)を囲むように、3列形成されており、このうち最も外側のトレンチTの外側に半導体基板20の端部(外周)Eあるいは側面が位置する。ここで、図1ではトレンチTの断面形状は矩形形状であるものとし、これ以外の場合については後述する。
Here, in the
図1において、外周領域Y全体(層間絶縁層50の外側の領域)には薄い絶縁層51が形成されている。絶縁層51は薄くコンフォーマルに形成されているために、図3に単一のトレンチTに関わる部分の断面を拡大して示すように、トレンチTの内面を含む全面にわたり一様に形成されている。例えばSiO2やSiNをCVD法等によって薄く形成することによって絶縁層51とすることができる。この際、その成膜条件としては、これらがコンフォーマルに成膜できるような条件が選択される。
In FIG. 1, a thin
このように、外周領域YにおいてトレンチTを形成し、かつ外周領域YにおいてトレンチTの内面を含む全面に絶縁層51を形成することによって、半導体基板20の端部Eから、露出したアノード電極層30までの間の沿面距離を長くすることができる。図3においては、P0はトレンチTが形成されない場合の沿面距離を構成する経路(沿面経路)、P1は図1の構造における沿面距離を構成する経路(沿面経路)を、図3において示された箇所において模式的に示す。ここで、沿面距離とは、端部Eから露出したアノード電極層30までの間における絶縁体で構成された表面に沿った距離である。図1の構成においては、沿面経路P1を沿面経路P0よりも長く設定することができるために、この半導体装置1の耐圧を高めることができる。すなわち、上記のように内面に絶縁層51が形成されたトレンチT自身は、電気的に能動的には機能しないが、これによって耐圧を高めることができる。
Thus, by forming the trench T in the outer peripheral region Y and forming the insulating
図1、3においては、絶縁層51がトレンチTの開口幅よりも十分に薄いため、トレンチTの内面において一様な厚さで絶縁層51が形成されていた。しかしながら、実際には、絶縁層51の厚さはトレンチT内で一様とはならない場合が多い。図4(a)(b)は、こうした場合における例を図3に対応させて示す図である。図4(a)では、絶縁層51がトレンチTの底面側で厚くなっており、トレンチTの底部における絶縁層51の表面が半導体基板20(n型層22)の表面よりも深くなっており、図におけるD>0となっている。一方、図4(b)は絶縁層51が厚すぎるために絶縁層51によってトレンチTが完全に埋め込まれた状態を示し、これは図4(a)においてD<0となった状態に対応する。前記のように沿面距離を大きくする観点からは、図4(b)の形態は好ましくなく、図4(a)の形態とすることが好ましい。すなわち、トレンチTの底面における絶縁層51を半導体基板20の表面よりも低くすることによって、上記のように素子領域Xと端部Eまでの沿面距離を長くすることができる。
1 and 3, since the insulating
なお、図4(a)(b)においては、トレンチTが絶縁層51によって密に埋め込まれているが、トレンチTの内部にボイドが形成された状態においても、その最表面が図4(a)(b)と同様であれば、状況は同様である。ただし、ボイドが存在する場合にはボイド自身に起因する絶縁性の低下や不安定性等、他の問題が存在するため、図3に示されるように、絶縁層51は、トレンチTの開口幅よりも十分に薄くすることが好ましい。具体的には、図1におけるトレンチTの開口幅は2μm程度、深さは5μm以上、絶縁層51の厚さは数百nm以上とすることが好ましい。
4 (a) and 4 (b), the trench T is densely embedded with the insulating
また、上記のように外周領域Yに電気的に機能しないトレンチTを設けることによって、この半導体装置1を製造する際の歩留まりを高めることができる。この点について以下に説明する。この半導体装置1を製造するに際しては、実際には図1の構造が半導体基板20となる半導体ウェハ上に多数配列されて形成される。その後、この半導体ウェハをダイシングして切断分離することによって、各々が図1の構造を具備する半導体装置1を複数得ることができる。
Further, by providing the trench T that does not function electrically in the outer peripheral region Y as described above, the yield in manufacturing the
図5は、このダイシングの際の状況を示す断面図であり、半導体基板20となる半導体ウェハ100がダイシングソー(切断刃)Bで上側から切断される際の状況が示されている。この作業の際には、ダイシングソーBから力が加わることによって、半導体基板20中にクラックCが発生する場合がある。このクラックCが素子領域Xにまで延伸した場合には、切断後の半導体装置1の電気的特性に悪影響が及ぶおそれがある。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the situation at the time of dicing, and shows the situation when the semiconductor wafer 100 to be the
これに対して、上記の半導体装置1においては、最も外側のトレンチTによって、クラックCの内側への延伸を抑制することができる。この際、トレンチT自身が半導体装置1の動作において能動的に機能することはなく、かつ、上記のように端部Eまでの沿面距離を長くできるという点は変わらない。このため、図1の構造を具備する半導体装置1の製造時の歩留まりを高くすることができる。
On the other hand, in the
絶縁層51を構成する材料としては、その絶縁性と上記のような断面構造が実現できる限りにおいて、各種のものを用いることができる。例えば、上記のようなSiO2、SiNの代わりに、ポリイミド等の有機膜を用いることができる。その成膜方法は、材料やトレンチの開口幅等に応じて、適宜設定することができる。
As the material constituting the insulating
また、トレンチTの断面形状や絶縁層51の形態は、製造をより容易とする、あるいは、より沿面距離を長くするために、設定が可能である。図6は、製造をより容易とした第1の変形例となる半導体装置2の構造を図1に対応させて示す図である。
Further, the cross-sectional shape of the trench T and the form of the insulating
ここで形成されたトレンチT1の断面形状は、深さに従って幅が狭くなるテーパー形状とされる。この構造の場合には、トレンチT1の底面まで一様に絶縁層51を形成することが容易となる。このため、特に製造が容易となる。
The cross-sectional shape of the trench T <b> 1 formed here is a tapered shape whose width becomes narrower according to the depth. In the case of this structure, it is easy to form the insulating
また、第2の変形例となる半導体装置3の構造を図7に示す。この変形例におけるトレンチT2の断面形状は図1におけるトレンチTと同様に矩形形状である。ただし、ここではトレンチT2の内部において、絶縁層51は入口側で薄く、底面側で厚くされる。絶縁層51の種類、成膜方法によっては、絶縁層51の膜厚分布はこうした形態となるが、この場合においても、この構造によって端部Eからの沿面距離が長くなるという前記の効果は同様である。また、絶縁層51を薄く成膜する場合には、特にトレンチの底部の端には絶縁層51を十分に成膜できない場合がありこの場合にはn型層22が露出するおそれがあるのに対し、図7に示されたような形態の絶縁層51が得られるような成膜条件を採用することにより、底面側でn型層22が露出することを防止することができる。
Moreover, the structure of the
また、第3、第4の変形例となる半導体装置4、5の構造をそれぞれ同様に図8、9に示す。これらの変形例においては、製造がやや難しくなるものの、図1の半導体装置1よりも、更に沿面距離を長くすることができる。
The structures of the
図8に示された半導体装置4において形成されたトレンチT3の断面形状は、図1におけるトレンチTと同様の矩形形状である。これに対して、絶縁層51は、前記の半導体装置3の場合とは逆にトレンチT3の入口側で厚く、底面側で薄くされる。このため、トレンチT3内における絶縁層51の表面の断面形状は、図7におけるトレンチT2内の絶縁層51の表面の断面形状とは逆に、深さに従って間口が広くなる逆テーパー形状となる。これによって、図1の場合よりも、沿面距離をより大きくすることができる。絶縁層51のこうした膜厚分布は、絶縁層51をCVD法により成膜する際には、その成膜条件を調整することによって実現することができる。
The cross-sectional shape of the trench T3 formed in the
一方、図9に示された半導体装置5においては、絶縁層51の膜厚は一様となっているが、形成されたトレンチT4の断面形状が、図8における絶縁層51の表面の断面形状と同様の逆テーパー形状とされている。この場合においても、図8の構造と同様に沿面距離を大きくすることができる。トレンチT4をこうした逆テーパー形状とすることは、トレンチを形成するドライエッチングの条件を調整することによって実現することができる。
On the other hand, in the
なお、上記の例では、トレンチは3列にわたり形成されたものとしたが、トレンチの数を多くすることによって、より沿面距離を長くすることができる。一方、この場合には外周領域Yが広くなるために半導体装置全体の面積が大きくなり半導体装置を安価とすることが困難となる。あるいは、半導体装置全体の面積を定めた場合には素子領域Xを広くとることが困難となるため、動作電流を大きくとることが困難となる。また、トレンチを1列のみ形成した場合であっても、トレンチを多数設けた場合と比べると沿面距離は小さくなるものの、トレンチを用いない場合と比べて沿面距離を大きくすることができる。トレンチの数は、こうした状況を考慮した上で設定される。 In the above example, the trenches are formed over three rows. However, the creepage distance can be further increased by increasing the number of trenches. On the other hand, in this case, since the outer peripheral area Y is widened, the area of the entire semiconductor device is increased, making it difficult to reduce the cost of the semiconductor device. Alternatively, when the area of the entire semiconductor device is determined, it is difficult to increase the element region X, and it is difficult to increase the operating current. Even if only one row of trenches is formed, the creepage distance is smaller than when many trenches are provided, but the creepage distance can be increased as compared with the case where no trench is used. The number of trenches is set in consideration of such a situation.
また、上記の例では、平面視においてトレンチは素子領域Xにおける全ての側を囲んで形成されるものとした。しかしながら、トレンチの形態は、半導体装置の形態や内部における電位分布等に応じて設定される。例えば、図2において、平面視におけるある特定の側で沿面放電が発生しやすい場合には、素子領域(アノード電極層30)を囲まずにこの側においてのみ列状にトレンチを設けてもよい。同様に、図2において素子領域の周囲でトレンチTが全周にわたり連続的に形成されている必要はない。 In the above example, the trench is formed so as to surround all sides in the element region X in plan view. However, the form of the trench is set according to the form of the semiconductor device, the potential distribution inside, and the like. For example, in FIG. 2, when creeping discharge is likely to occur on a specific side in plan view, trenches may be provided in a row only on this side without surrounding the element region (anode electrode layer 30). Similarly, in FIG. 2, it is not necessary that the trench T is continuously formed around the entire periphery of the element region.
また、上記の例では、半導体基板において、表面における素子領域に主電極の一方、裏面側に主電極の他方がそれぞれ設けられたショットキーバリアダイオードが形成されるものとした。しかしながら、半導体基板の表面側に設けられた素子領域と裏面側の間で大きな電位差が発生する半導体装置であれば、他の構造を具備する半導体装置においても、上記の構成が同様に有効である。こうした状況は、半導体基板の厚さ方向で大電流が流されて動作する半導体装置において、特に顕著である。例えば、素子領域においてパワーMOSFETが形成され、半導体基板の厚さ方向で電流が流されて動作する場合には、上記の外周領域Y中の構造を同様に用いることができる。pn接合ダイオードやIGBT、バイポーラトランジスタ等においても、表面側と裏面側との間の電位差が大きくなる場合には、同様である。 In the above example, a Schottky barrier diode is formed in which one of the main electrodes is provided in the element region on the front surface and the other of the main electrodes is provided on the back surface side in the semiconductor substrate. However, as long as the semiconductor device generates a large potential difference between the element region provided on the front surface side of the semiconductor substrate and the back surface side, the above configuration is also effective in a semiconductor device having another structure. . Such a situation is particularly prominent in a semiconductor device that operates by flowing a large current in the thickness direction of the semiconductor substrate. For example, when the power MOSFET is formed in the element region and the current MOSFET is operated in the thickness direction of the semiconductor substrate, the structure in the outer peripheral region Y can be similarly used. The same applies to pn junction diodes, IGBTs, bipolar transistors, and the like when the potential difference between the front surface side and the back surface side becomes large.
この際、例えば素子領域においてトレンチ型のパワーMOSFET、IGBTを形成する場合には、外周領域におけるトレンチと、素子領域におけるトレンチを同時に形成することができる。このため、上記の半導体装置を特に簡易な工程で製造することができる。 At this time, for example, when a trench type power MOSFET or IGBT is formed in the element region, the trench in the outer peripheral region and the trench in the element region can be formed simultaneously. Therefore, the above semiconductor device can be manufactured through a particularly simple process.
なお、シリコン(Si)よりも絶縁破壊電界の大きい炭化珪素(SiC)や窒化物化合物半導体(GaN等)等のワイドバンドギャップ半導体材料で半導体基板20を構成した場合、シリコン(Si)で構成した場合と比較して、チップ面積を小さくできるという利点がある。しかしその一方で、図3における沿面経路P0は、シリコン(Si)で半導体基板20を構成した場合と比べ短くなり、沿面放電が発生しやすいという問題が顕著となる。そのため、ワイドバンドギャップ半導体材料で半導体基板20を構成した場合に、本発明を適用して沿面経路P1を形成することが特に好ましい。
When the
1〜5 半導体装置
20 半導体基板
21 n+層
22 n型層
23 p型層
30 アノード電極層(主電極)
40 カソード電極層(主電極)
50 層間絶縁層
51 絶縁層
B ダイシングソー
C クラック
E 端部
P0、P1 沿面経路
T、T1〜T4 トレンチ(溝)
X 素子領域
Y 外周領域
1 to 5
40 Cathode electrode layer (main electrode)
50
X Element area Y Perimeter area
Claims (9)
平面視における前記素子領域と前記端部との間の領域である外周領域において、前記半導体基板が表面から掘下げられた溝が形成され、かつ前記外周領域における当該溝の内面及び前記半導体基板の表面に、当該溝の底面側における高さが前記表面よりも低くなるように、絶縁層が形成されたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor element is formed in an element region that is a region separated from an end portion on the surface side of the semiconductor substrate in a plan view,
In an outer peripheral region that is a region between the element region and the end portion in plan view, a groove is formed by digging the semiconductor substrate from the surface, and an inner surface of the groove in the outer peripheral region and a surface of the semiconductor substrate Further, the semiconductor device is characterized in that an insulating layer is formed so that the height of the groove on the bottom side is lower than the surface.
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