JP2019165174A

JP2019165174A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2019165174A
Application number: JP2018053259A
Authority: JP
Inventors: 良太水野; Ryota Mizuno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP7163603B2

Abstract

【課題】半導体基板と温度センスダイオードとの間の静電破壊を防止する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板と温度センスダイオードとの間に必要とされる静電耐量を決定する工程と、シリコン酸化膜の破壊電圧がその膜厚の平方根に比例するという関係式を用いて、決定した静電耐量が得られるシリコン酸化膜の必要膜厚を決定する工程と、決定した必要膜厚に基づいて、半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する工程とを備える。シリコン酸化膜の膜厚は、温度センスダイオードが設けられる領域では決定した必要膜厚以上とし、他の領域では必要膜厚未満とする。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体装置の温度を測定するための温度センスダイオードが、半導体基板に隣接して設けられている。

特開２０１５−２１１０８７号公報

温度センスダイオードを有する半導体装置では、例えばパッケージングの工程において静電気が印加され、半導体基板と温度センスダイオードとの間で静電破壊が生じるおそれがある。これを防止するためには、シリコン酸化膜の膜厚を大きくすることが考えられるが、シリコン酸化膜の膜厚を安易に大きくしてしまうと、他の工程や半導体装置の特性に意図しない影響を抑えるおそれがある。本明細書は、このような問題を解決又は低減し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体基板上にシリコン酸化膜を介して温度センスダイオードが設けられた半導体装置の製造方法に具現化される。この製造方法は、半導体基板と温度センスダイオードとの間に必要とされる静電耐量を決定する工程と、シリコン酸化膜の破壊電圧がその膜厚の平方根に比例するという関係式を用いて、決定した静電耐量が得られるシリコン酸化膜の必要膜厚を決定する工程と、決定した必要膜厚に基づいて、半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する工程とを備える。このとき、温度センスダイオードが設けられる領域では、シリコン酸化膜の膜厚を決定した必要膜厚以上とし、他の領域の少なくとも一部では、シリコン酸化膜の膜厚を決定した必要膜厚未満とする。

シリコン酸化膜の破壊電圧は、シリコン酸化膜の膜厚の平方根に比例することが知られている（山部紀久夫「ＳｉＯ_２膜の薄膜化と信頼性」『応用物理第５９巻第１１号（１９９０）』ｐ．１４９１（６５）−１４９５（６９）参照）。その具体的な関係式については、実験（シミュレーションも含む）によって得ることができ、その関係式を用いることで、必要とされる静電耐量が得られるシリコン酸化膜の膜厚を、定量的に決定することができる。また、温度センスダイオードが設けられる領域に限って、シリコン酸化膜を部分的に厚く形成することで、他の工程や半導体装置の特性に与える影響を抑制することができる。

実施例の半導体装置１０の要部を模式的に示す断面図。シリコン酸化膜の破壊電圧とその膜厚との関係を示す図。半導体装置１０の製造方法の要部を示すフローチャート。一変形例の半導体装置１１０の要部を模式的に示す断面図。他の一変形例の半導体装置２１０の要部を模式的に示す断面図。他の一変形例の半導体装置３１０の要部を模式的に示す断面図。他の一変形例の半導体装置４１０の要部を模式的に示す断面図。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０について説明をする。本実施例の半導体装置１０は、例えば電動型の自動車において、コンバータやインバータに採用されるパワー半導体装置である。なお、ここでいう電動型の自動車には、例えば、ハイブリッド車、燃料電池車又は再充電式の電気自動車といった、車輪をモータによって駆動する各種の自動車が含まれる。

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２を備える。半導体基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった半導体材料で構成されている。半導体基板１２の内部には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった素子構造が設けられている。図示省略するが、半導体装置１０は、半導体基板１２の両面に主電極をそれぞれ有しており、それら二つの主電極が半導体基板１２の素子構造を介して互いに接続されている。なお、半導体装置１０は、いわゆる縦型の半導体装置に限定されず、半導体基板１２の一方の表面に二つの主電極が設けられた平面型の半導体装置であってもよい。

半導体装置１０は、温度センスダイオード１６をさらに備える。温度センスダイオード１６は、シリコン酸化膜１４を介して、半導体基板１２上に設けられている。温度センスダイオード１６は、ｐｎ接合型のダイオードであり、ｐ型領域１６ｐと、それに隣接するｎ型領域１６ｎとを有する。温度センスダイオード１６は、半導体基板１２の温度に応じて順電圧が変化する。従って、温度センスダイオード１６の電圧降下に基づいて、半導体装置１０の温度を知ることができる。温度センスダイオード１６には、配線１８が接続されている。配線１８は、例えばアルミニウムといった金属又はその他の導体で構成される。また、温度センスダイオード１６は、シリコン酸化膜２０によって覆われている。

本実施例における温度センスダイオード１６は、単一のｐｎ接合を有している。しかしながら、他の実施形態として、温度センスダイオード１６は、ｐ型領域１６ｐとｎ型領域１６ｎとが繰り返し形成され、複数のｐｎ接合を有する構成であってもよい。このような構成であると、温度センスダイオード１６の感度が高まるので、半導体装置１０の温度をより正確に測定することができる。また、本実施例における温度センスダイオード１６は、ｐ型領域１６ｐとｎ型領域１６ｎが半導体基板１２に沿って隣接しているが、他の実施形態として、ｐ型領域１６ｐとｎ型領域１６ｎは、半導体基板１２の厚み方向に積層されていてもよい。

温度センスダイオード１６を有する半導体装置１０では、例えばパッケージングの工程において静電気が印加されると、半導体基板１２と温度センスダイオード１６との間で静電破壊が生じるおそれがある。これを防止するためには、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸを大きくすることが考えられるが、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸを安易に大きくしてしまうと、半導体装置１０の特性に意図しない影響を抑えるおそれがある。この点に関して、本実施例の半導体装置１０では、温度センスダイオード１６が設けられた領域Ａに限って、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸが大きくされている。また、当該領域Ａにおけるシリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸは、半導体基板１２と温度センスダイオード１６との間に必要とされる静電耐量に基づいて決定されている。このような構成によると、シリコン酸化膜１４を過不足なく厚肉化することができ、半導体装置１０の特性に与える影響を抑制しながら、半導体基板１２と温度センスダイオード１６との間の静電破壊を避けることができる。

ここで、図２に示すように、シリコン酸化膜１４の破壊電圧Ｖ_ＢＬは、その膜厚ｔ_ＯＸの平方根に比例することが知られている（山部紀久夫「ＳｉＯ_２膜の薄膜化と信頼性」『応用物理第５９巻第１１号（１９９０）』ｐ．１４９１（６５）−１４９５（６９）参照）。これは、絶縁破壊の起因となる欠陥が、シリコン酸化膜１４のなかを通る一本の抵抗体として、絶縁破壊が、発生したジュール熱による熱破壊と仮定し得るからである。この場合、絶縁破壊は、発生熱量が一定値Γに達したときに発生するので、絶縁破壊寸前においては、Γ＝Ｖ_ＢＬ ^２／ρ・ｔ_ＯＸの関係が成立する。よって、図２に示す破壊電圧Ｖ_ＢＬと膜厚ｔ_ＯＸとの関係式が得られる。具体的な関係式（比例係数）については、実験（シミュレーションも含む）によって得ることができ、発生熱量の一定値Γや抵抗率ρといったパラメータを個別に決定する必要は無い。そして、得られた関係式を用いることで、必要とされる静電耐量が得られように、即ち、破壊電圧Ｖ_ＢＬが必要とされる静電耐量以上となるように、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸを定量的に決定することができる。

以下では、上記した知見に基づく半導体装置１０の製造方法について説明する。但し、本明細書では、シリコン酸化膜１４に関連する工程のみを説明し、その他の工程については説明を省略する。言い換えると、ここで説明する工程は、公知である様々な半導体装置の製造方法において、シリコン酸化膜１４や温度センスダイオード１６（又はそれらに対応する構成）を形成するために、広く採用することができる。

図３に示すように、先ず、ステップＳ１２において、半導体基板１２と温度センスダイオード１６との間に必要とされる静電耐量を決定する。次に、ステップＳ１４では、予め決定してある関係式（図２参照）を用いて、決定した静電耐量が得られるシリコン酸化膜１４の必要膜厚を決定する。そして、ステップＳ１６では、決定した必要膜厚に基づいて、半導体基板１２上にシリコン酸化膜１４を形成する。このとき、温度センスダイオード１６が設けられる領域Ａでは、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸを、決定した必要膜厚以上とする。それに対して、他の領域の一部又は全部では、膜厚ｔ_ＯＸを決定した必要膜厚未満とする。シリコン酸化膜１４の具体的な形成方法については、特に限定されない。シリコン酸化膜１４は、単層で構成されてもよいし、複数層で構成されてもよい。シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸを、全体ではなく、部分的に厚く形成することで、他の工程に与える影響を抑えることができる。その後、ステップＳ１８において、シリコン酸化膜１４上に、温度センスダイオード１６を形成する。なお、上記したステップＳ１２−Ｓ１８の間では、必要に応じて他の工程が適宜実施されてもよく、ステップＳ１２−Ｓ１８が連続して実施される必要はない。

シリコン酸化膜１４の構造については、様々に変更することができる。例えば、図４、５に示す変形例の半導体装置１１０、２１０では、シリコン酸化膜１４の断面プロファイルが変更されている。但し、いずれの変形例においても、温度センスダイオード１６が設けられる領域Ａでは、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸが、決定した必要膜厚以上とされており、他の領域の一部又は全部では、膜厚ｔ_ＯＸが決定した必要膜厚未満とされている。但し、これらの変形例と比較して、図１に示す半導体装置１０では、半導体基板１２とシリコン酸化膜１４との間の境界が曲面となっており、そのような構成によると、電界集中が緩和されやすく、シリコン酸化膜１４の破壊電圧Ｖ_ＢＬ（即ち、静電耐量）をより高くすることができる。

図６に示す変形例では、シリコン酸化膜１４が、下層１４ａと上層１４ｂとの積層構造を有している。下層１４ａは、半導体基板１２の全体に亘って形成されている。上層１４ｂは、下層１４ａ上に位置するとともに、温度センスダイオード１６が設けられた領域Ａに形成されている。一方、図７に示す変形例では、シリコン酸化膜１４が単層で構成されている。このようなシリコン酸化膜１４は、先ず、静電耐量に基づく必要膜厚以上の膜厚で、シリコン酸化膜１４を半導体基板１２の全体に亘って形成し、次いで、そのシリコン酸化膜１４の一部１５をエッチングすることによって、形成することができる。これらの変形例においても、温度センスダイオード１６が設けられる領域Ａでは、シリコン酸化膜１４の膜厚ｔ_ＯＸが、決定した必要膜厚以上とされており、他の領域の一部又は全部では、膜厚ｔ_ＯＸが決定した必要膜厚未満とされている。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

１０、１１０、２１０、３１０：半導体装置
１２：半導体基板
１４：シリコン酸化膜
１６：温度センスダイオード
１６ｐ：温度センスダイオードのｐ型領域
１６ｎ：温度センスダイオードのｎ型領域

Claims

半導体基板上にシリコン酸化膜を介して温度センスダイオードが設けられた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板と前記温度センスダイオードとの間に必要とされる静電耐量を決定する工程と、
前記シリコン酸化膜の破壊電圧がその膜厚の平方根に比例するという関係式を用いて、決定した前記静電耐量が得られる前記シリコン酸化膜の必要膜厚を決定する工程と、
決定した前記必要膜厚に基づいて、前記半導体基板上に前記シリコン酸化膜を形成する工程と、
を備え、
前記シリコン酸化膜の前記膜厚は、前記温度センスダイオードが設けられる領域では前記必要膜厚以上とし、その他の領域の少なくとも一部では前記必要膜厚未満とする、
製造方法。