JP2021034699A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 三重接触部を起点とするクラックを抑制する。【解決手段】 半導体装置であって、半導体基板と、前記半導体基板の上面を覆う第１金属層と、前記第１金属層の上面の一部を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の上面から前記第１金属層の前記上面に跨る範囲を覆う第２金属層を有する。前記半導体基板が、ＩＧＢＴエリアと、ダイオードエリアと、前記ＩＧＢＴエリアと前記ダイオードエリアの間に配置された境界エリアを備える。前記ＩＧＢＴエリアと前記境界エリアに跨る範囲に、ドリフト領域の上側に配置されたＩＧＢＴ構造が設けられている。前記ダイオードエリアと前記境界エリアに跨る範囲に、前記ドリフト領域の下側に配置されたカソード領域が設けられている。前記第１金属層と前記絶縁保護層と前記第２金属層とが互いに接触する三重接触部が、前記境界エリアの上部に配置されている。【選択図】図２

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。

特許文献１開示の半導体装置は、半導体基板上に設けられた第１金属層、第２金属層、及び、絶縁保護層を有している。第１金属層は、ＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンの合金）により構成されている。第１金属層は、半導体基板の上面を覆っている。絶縁保護層は、第１金属層の上面の一部（外周部）を覆っている。第２金属層は、Ｎｉ膜とＡｕ膜により構成されている。すなわち、第２金属層は、第１金属層とは異なる金属により構成されている。第２金属層は、絶縁保護層の上面から第１金属層の上面に跨る範囲を覆っている。

特開２０１５−０５０３４７号公報

特許文献１の半導体装置では、半導体基板内の半導体素子が動作したときに、半導体装置の温度が変化する。半導体装置の温度が変化すると、半導体装置を構成する各層の線膨張係数が異なるため、半導体装置の内部で応力が発生する。特に、第１金属層と絶縁保護層と第２金属層とが互いに接触している三重接触部では、線膨張係数が異なる３種類の層が互いに接触しているので、高い応力が生じる。三重接触部に応力が繰り返し加わることで、三重接触部を起点として第１金属層等にクラックが生じるおそれがある。本明細書では、三重接触部を起点とするクラックを抑制する技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上面を覆う第１金属層と、前記第１金属層の上面の一部を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の上面から前記第１金属層の前記上面に跨る範囲を覆うとともに前記第１金属層とは異なる金属により構成されている第２金属層と、前記半導体基板の下面を覆う下部電極層、を有する。前記半導体基板が、ＩＧＢＴエリアと、ダイオードエリアと、前記ＩＧＢＴエリアと前記ダイオードエリアの間に配置された境界エリアを備えている。前記半導体基板が、前記ＩＧＢＴエリア、前記境界エリア、及び、前記ダイオードエリアに跨って伸びるｎ型のドリフト領域を有する。前記ＩＧＢＴエリアと前記境界エリアに跨る範囲に、前記ドリフト領域の上側に配置されたＩＧＢＴ構造が設けられている。前記ＩＧＢＴ構造が、前記半導体基板の前記上面に設けられた複数のトレンチと、前記各トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、前記各トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されたゲート電極と、前記第１金属層と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のエミッタ領域と、前記第１金属層に接するとともに前記エミッタ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接するｐ型のボディ領域、を有する。前記ダイオードエリアに、前記ドリフト領域の上側に配置され、前記第１金属層に接するｐ型のアノード領域が設けられている。前記ＩＧＢＴエリアに、前記ドリフト領域の下側に配置され、前記下部電極層に接するｐ型のコレクタ領域が設けられている。前記ダイオードエリアと前記境界エリアに跨る範囲に、前記ドリフト領域の下側に配置され、前記下部電極層に接し、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有するｎ型のカソード領域が設けられている。前記第１金属層と前記絶縁保護層と前記第２金属層とが互いに接触する三重接触部が、前記境界エリアの上部に配置されている。

この半導体装置では、ＩＧＢＴエリアにＩＧＢＴが形成されており、ダイオードエリアにダイオードが形成されている。ＩＧＢＴがオンすると、ＩＧＢＴエリア内で、コレクタ領域からドリフト領域を介してＩＧＢＴ構造へ電流が流れる。また、ＩＧＢＴがオンすると、ＩＧＢＴエリア内のコレクタ領域からドリフト領域を介して境界エリア内のＩＧＢＴ構造へも電流が流れる。したがって、ＩＧＢＴがオンすると、ＩＧＢＴエリアと境界エリアが発熱する。ダイオードがオンすると、ダイオードエリア内で、アノード領域からドリフト領域を介してカソード領域へ電流が流れる。また、ダイオードがオンすると、境界エリア内のボディ領域からドリフト領域を介して境界エリア内のカソード領域へも電流が流れる。したがって、ダイオードがオンすると、ダイオードエリアと境界エリアが発熱する。このように、境界エリアは、ＩＧＢＴがオンするときとダイオードがオンするときのいずれでも発熱する。境界エリアが発熱する頻度が高いので、半導体装置を動作させるときに、境界エリアの温度が低下し難い。このため、境界エリアでは、ＩＧＢＴエリア及びダイオードエリアに比べて、半導体装置の動作中に生じる温度変化量（すなわち、高温時と低温時の温度差）が小さい。したがって、境界エリアの上部に設けられた三重接触部でも、温度変化量が小さい。このため、三重接触部で生じる応力変化が緩和され、三重接触部を起点とするクラックが抑制される。

半導体装置の平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。 各エリアの温度変化を示すグラフ。

図１に示す半導体装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、メインエリア１４を有している。図１には示していないが、半導体基板１２の上面には、メインエリア１４を覆うように金属層、絶縁保護層等が設けられている。メインエリア１４の隣には、複数の信号電極１６が設けられている。メインエリア１４を上側から見たときに、メインエリア１４はＩＧＢＴエリア２０とダイオードエリア２４に区画されている。ＩＧＢＴエリア２０にＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）が形成されており、ダイオードエリア２４にダイオードが形成されている。ＩＧＢＴエリア２０とダイオードエリア２４は、同心状に分布している。ＩＧＢＴエリア２０とダイオードエリア２４は、半導体基板１２の中心から外側に向かって交互に設けられている。最も外周側のダイオードエリア２４とその内側のＩＧＢＴエリア２０の境界に、境界エリア２２が設けられている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面を示している。図２に示すように、半導体基板１２の上部に、第１金属層３１、第２金属層３２、及び、絶縁保護層３４が設けられている。

第１金属層３１は、ＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンの合金）により構成されている。第１金属層３１は、ＩＧＢＴエリア２０、境界エリア２２、及び、ダイオードエリア２４に跨る範囲で、半導体基板１２の上面１２ａを覆っている。

絶縁保護層３４は、ポリイミドにより構成されている。絶縁保護層３４は、第１金属層３１の外周部で、第１金属層３１の上面を覆っている。

第２金属層３２は、Ｎｉ（ニッケル）により構成されている。第２金属層３２は、第１金属層３１の上面と絶縁保護層３４の上面に跨る範囲を覆っている。

絶縁保護層３４の内周側の端部に、絶縁保護層３４と第１金属層３１と第２金属層３２が互いに接触する三重接触部３６が形成されている。三重接触部３６は、境界エリア２２の上部に配置されている。図１に示すように、三重接触部３６は境界エリア２２に沿って環状に伸びており、三重接触部３６の全体が境界エリア２２上に配置されている。

図２に示すように、半導体基板１２の下部に、下部電極層３８が設けられている。下部電極層３８は、半導体基板１２の下面１２ｂ全体を覆っている。

半導体基板１２の上面１２ａに、複数のトレンチ４０が設けられている。各トレンチ４０は、互いに平行に伸びている。複数のトレンチ４０は、ＩＧＢＴエリア２０、境界エリア２２、及び、ダイオードエリア２４に跨る範囲に分散して設けられている。各トレンチ４０の内面は、ゲート絶縁膜４２によって覆われている。各トレンチ４０内に、ゲート電極４４が配置されている。各ゲート電極４４は、ゲート絶縁膜４２によって半導体基板１２から絶縁されている。各ゲート電極４４の上面は、層間絶縁膜４６によって覆われている。各ゲート電極４４は、層間絶縁膜４６によって第１金属層３１から絶縁されている。

半導体基板１２は、エミッタ領域５２、ボディ領域５４、ドリフト領域５６、コレクタ領域５８、アノード領域６０、及び、カソード領域６２を有している。

ドリフト領域５６は、ｎ型である。ドリフト領域５６は、ＩＧＢＴエリア２０、境界エリア２２、及び、ダイオードエリア２４に跨って分布している。エミッタ領域５２、ボディ領域５４、及び、アノード領域６０は、ドリフト領域５６よりも上側に配置されている。コレクタ領域５８及びカソード領域６２は、ドリフト領域５６よりも下側に配置されている。

エミッタ領域５２は、ＩＧＢＴエリア２０及び境界エリア２２内に設けられている。エミッタ領域５２は、ｎ型であり、ドリフト領域５６よりも高いｎ型不純物濃度を有している。エミッタ領域５２は、第１金属層３１に接している。エミッタ領域５２は、トレンチ４０の上端部でゲート絶縁膜４２に接している。エミッタ領域５２は、ダイオードエリア２４内には設けられていない。

ボディ領域５４は、ＩＧＢＴエリア２０及び境界エリア２２内に設けられている。ボディ領域５４は、ｐ型である。ボディ領域５４は、図示しない位置で第１金属層３１に接している。ボディ領域５４は、エミッタ領域５２の下側でゲート絶縁膜４２に接している。ボディ領域５４は、ドリフト領域５６に上側から接している。ボディ領域５４によって、エミッタ領域５２がドリフト領域５６から分離されている。各トレンチ４０は、ボディ領域５４を貫通してドリフト領域５６に達している。ドリフト領域５６は、ボディ領域５４の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

コレクタ領域５８は、ＩＧＢＴエリア２０内に設けられている。コレクタ領域５８は、ｐ型である。コレクタ領域５８は、ドリフト領域５６に下側から接している。コレクタ領域５８は、下部電極層３８に接している。コレクタ領域５８は、ダイオードエリア２４及び境界エリア２２内には設けられていない。

アノード領域６０は、ダイオードエリア２４内に設けられている。アノード領域６０は、ｐ型である。アノード領域６０は、第１金属層３１及びゲート絶縁膜４２に接している。アノード領域６０は、ドリフト領域５６に上側から接している。各トレンチ４０は、アノード領域６０を貫通してドリフト領域５６に達している。ドリフト領域５６は、アノード領域６０の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

カソード領域６２は、ダイオードエリア２４及び境界エリア２２内に設けられている。カソード領域６２は、ｎ型であり、ドリフト領域５６よりも高いｎ型不純物濃度を有している。カソード領域６２は、ドリフト領域５６に下側から接している。カソード領域６２は、下部電極層３８に接している。カソード領域６２は、ＩＧＢＴエリア２０内には設けられていない。

ＩＧＢＴエリア２０内には、エミッタ領域５２、ボディ領域５４、ドリフト領域５６、コレクタ領域５８、ゲート電極４４、及び、ゲート絶縁膜４２によって、ＩＧＢＴが形成されている。エミッタ領域５２、ボディ領域５４、ゲート電極４４、及び、ゲート絶縁膜４２によってＩＧＢＴの上側の構造が形成されており、コレクタ領域５８によってＩＧＢＴの下側の構造が形成されている。

ダイオードエリア２４内には、アノード領域６０、ドリフト領域５６、及び、カソード領域６２によってダイオードが形成されている。アノード領域６０によってダイオードの上側の構造が形成されており、カソード領域６２によってダイオードの下側の構造が形成されている。

境界エリア２２内では、ドリフト領域５６の上側にＩＧＢＴ構造（すなわち、エミッタ領域５２、ボディ領域５４、ゲート電極４４、及び、ゲート絶縁膜４２）が形成されており、ドリフト領域５６の下側にダイオードの構造（すなわち、カソード領域６２）が形成されている。

ＩＧＢＴをオンさせる場合には、下部電極３８を第１金属層３１及び第２金属層３２よりも高電位とし、ゲート電極４４にゲート閾値以上の電位を印加する。ゲート電極４４にゲート閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜４２近傍のボディ領域５４にチャネルが形成される。すると、コレクタ領域５８から、ドリフト領域５６とチャネルを介してエミッタ領域５２へ電流が流れる。このとき、境界エリア２２内では、図２の矢印１００に示すように、コレクタ領域５８から境界エリア２２内のエミッタ領域５２に向かう電流が流れる。したがって、ＩＧＢＴがオンするときに、ＩＧＢＴエリア２０だけでなく、境界エリア２２も発熱する。

ダイオードをオンさせる場合には、第１金属層３１及び第２金属層３２を下部電極３８よりも高電位とする。すると、アノード領域６０からドリフト領域５６を介してカソード領域６２へ電流が流れる。このとき、境界エリア２２内では、図２の矢印１０２に示すように、ボディ領域５４からカソード領域６２へ向かう電流が流れる。したがって、ダイオードがオンするときに、ダイオードエリア２４だけでなく、境界エリア２２も発熱する。

図３は、ＩＧＢＴとダイオードを交互にオンしたときのＩＧＢＴエリア２０の温度Ｔ２０、ダイオードエリア２４の温度Ｔ２４、及び、境界エリア２２の温度Ｔ２２の変化を示している。図３において、期間Ｐ１ではＩＧＢＴがオンするとともにダイオードがオフしており、期間Ｐ２ではダイオードがオンするとともにＩＧＢＴがオフしている。図３に示すように、ＩＧＢＴエリア２０は、ＩＧＢＴがオンしている期間Ｐ１に高温となり、ダイオードがオンしている（ＩＧＢＴがオフしている）期間Ｐ２に低温となる。このため、ＩＧＢＴエリア２０では、高温時と低温時の温度差ΔＴ２０が大きい。また、ダイオードエリア２４は、ダイオードがオンしている期間Ｐ２に高温となり、ＩＧＢＴがオンしている（ダイオードがオフしている）期間Ｐ１に低温となる。このため、ダイオードエリア２４では、高温時と低温時の温度差ΔＴ２４が大きい。これに対し、上述したように、境界エリア２２は、ＩＧＢＴがオンしているとき（期間Ｐ１）とダイオードがオンしているとき（期間Ｐ２）の両方で発熱する。したがって、境界エリア２２では、高温時と低温時の温度差ΔＴ２２が小さい。すなわち、温度差ΔＴ２２は、温度差ΔＴ２０、ΔＴ２４よりもはるかに小さい。このため、境界エリア２２の上部に配置されている三重接触部３６で生じる温度差も小さい。三重接触部３６で生じる温度差が小さいので、三重接触部３６で生じる応力変化も小さい。このため、三重接触部３６に加わるストレスが小さく、三重接触部３６を起点とするクラックが生じ難い。このように、この半導体装置によれば、三重接触部３６を起点とするクラックを抑制することができる。

なお、上述した実施形態では、三重接触部３６の全体が境界エリア２２の上部に配置されていたが、三重接触部３６の一部が境界エリア２２の上部に配置されていてもよい。

また、上述した実施形態では、ダイオードエリア２４にトレンチ４０、ゲート電極４４、ゲート絶縁膜４２が設けられていたが、ダイオードエリア２４にはこれらが設けられていなくてもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：半導体装置
１２ ：半導体基板
１４ ：メインエリア
１６ ：信号電極
２０ ：ＩＧＢＴエリア
２２ ：境界エリア
２４ ：ダイオードエリア
３１ ：第１金属層
３２ ：第２金属層
３４ ：絶縁保護層
３６ ：三重接触部
３８ ：下部電極
３８ ：下部電極層
４０ ：トレンチ
４２ ：ゲート絶縁膜
４４ ：ゲート電極
４６ ：層間絶縁膜
５２ ：エミッタ領域
５４ ：ボディ領域
５６ ：ドリフト領域
５８ ：コレクタ領域
６０ ：アノード領域
６２ ：カソード領域

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の上面を覆う第１金属層と、
   前記第１金属層の上面の一部を覆う絶縁保護層と、
   前記絶縁保護層の上面から前記第１金属層の前記上面に跨る範囲を覆い、前記第１金属層とは異なる金属により構成されている第２金属層と、
   前記半導体基板の下面を覆う下部電極層、
   を有し、
   前記半導体基板が、
   ＩＧＢＴエリアと、ダイオードエリアと、前記ＩＧＢＴエリアと前記ダイオードエリアの間に配置された境界エリアを備え、
   前記半導体基板が、前記ＩＧＢＴエリア、前記境界エリア、及び、前記ダイオードエリアに跨って伸びるｎ型のドリフト領域を有し、
   前記ＩＧＢＴエリアと前記境界エリアに跨る範囲に、前記ドリフト領域の上側に配置されたＩＧＢＴ構造が設けられており、
   前記ＩＧＢＴ構造が、
   前記半導体基板の前記上面に設けられた複数のトレンチと、
   前記各トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
   前記各トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されたゲート電極と、
   前記第１金属層と前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のエミッタ領域と、
   前記第１金属層に接し、前記エミッタ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接するｐ型のボディ領域、
   を有し、
   前記ダイオードエリアに、前記ドリフト領域の上側に配置され、前記第１金属層に接するｐ型のアノード領域が設けられており、
   前記ＩＧＢＴエリアに、前記ドリフト領域の下側に配置され、前記下部電極層に接するｐ型のコレクタ領域が設けられており、
   前記ダイオードエリアと前記境界エリアに跨る範囲に、前記ドリフト領域の下側に配置され、前記下部電極層に接し、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有するｎ型のカソード領域が設けられており、
   前記第１金属層と前記絶縁保護層と前記第２金属層とが互いに接触する三重接触部が、前記境界エリアの上部に配置されている、
   半導体装置。

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