JP2870553B2 - 高耐圧半導体装置 - Google Patents

高耐圧半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高耐圧化のためにガー
ドリング構造を有する高耐圧半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置を高耐圧化させるためには、
基板の比抵抗を高くし、空乏層を基板内部へ伸ばしやす
くすると共に、半導体装置チップ表面のパターンや、拡
散層等を工夫することによって、基板表面の空乏層を横
方向へも伸びやすくし、電界強度を低くする必要があ
る。特に、高耐圧になる程、チップ外周部のガードリン
グ構造が重要となり、P+ 拡散リングを増やしたり、フ
ィールドプレートを長くすることにより、空乏層を伸び
やすくするように工夫している。図2はそのような高耐
圧半導体装置の一例のたて型MOSFETの一部分を示
し、N型シリコン基板1にP型拡散層2が形成され、基
板1にはドレイン電極3が、P層2にはソース電極4が
接触している。P層2を囲んでP層と同時に拡散によっ
て形成されたP型ガードリング領域5が二段に設けら
れ、基板1の縁部にはN+ チャネルストッパ領域6が形
成されている。ガードリング領域5およびチャネルスト
ッパ領域6にはAl配線7が接触し、ソース電極4とAl配
線7との間,Al配線7相互間およびAl配線7からチャネ
ルストッパ領域に向けてSiO2 からなるフィールドプレ
ート層8が基板1を覆っている。そしてAl配線7および
フィールドプレート層8の上を安定化のためのパッシベ
ーション膜9が覆っており、さらに外からの湿気の侵入
を防ぐために基板1側面を含めて表面保護材10が覆って
いる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに高耐圧化のための工夫を施した半導体チップを用い
て半導体装置に組立てたのち、耐圧を測定すると、チッ
プの状態よりも値が低下してしまう。特に、高耐圧にな
る程この差が大きい。これは、組立て時にチップ表面に
塗布し、湿気等から保護するゲルやJCRと呼ばれる表
面保護材の電荷がチップ表面に電荷を誘起するためで、
特に、ガードリング部のフィールドプレート上に誘起し
た電荷がチップ表面にまで影響し、空乏層の伸びを止め
てしまう結果耐圧を低下させてしまう。
【0004】これを図2において説明すると、ドレイン
電極3に正、ソース電極4に負のN型基板1とP層2の
間の接合に対する逆電圧を印加していくと、空乏層が発
生する。図には点線でN型基板中への空乏層11の伸びを
示す。ドレイン電極3とソース電極4の間の電圧を上げ
るにつれ、空乏層11はガードリング5の効果によって横
方向へ伸びやすく、耐圧も順調に上がっていく。しかし
表面保護材10の中の電荷がパッシベーション膜9, フィ
ールドプレート層8の下の基板1の表面に影響を及ぼ
し、空乏層11の広がりを一点鎖線12で示すように湾曲さ
せてしまう。電圧が上がるに従いこの湾曲が強くなり、
やがてここでブレークダウンしてしまう。このため耐圧
が低下するという問題が発生する。
【0005】これを補償するためには、チップ段階で低
下分だけ耐圧を上げておく必要がある。先に述べたよう
に、耐圧を上げるにはガードリング幅を広げることや、
基板の比抵抗を上げる必要があるが、ガードリング幅を
広げるとチップ寸法が大きくなり、コストが上がってし
まう。また、基板の比抵抗を上げると、装置の抵抗分が
増加してしまう問題があった。さらに、基板の比抵抗を
上げると、表面保護材の電荷の影響も受けやすくなると
いう逆効果が生じる。
【0006】さらにまた、その他の問題として、半導体
チップを収容する容器あるいは表面保護材からの応力に
よってチップ自体やその表面のパッシベーション膜に亀
裂が発生してしまうことによる信頼性の劣化がある。こ
のために特に低温生成SiO2あるいはPSGのような絶
縁層を応力の緩和に用いる必要があった。
【0007】本発明の目的は、上述の問題を解決して空
乏層の広がりの湾曲による耐圧の低下を防止して基板の
比抵抗を上げたりガードリング幅を広げる必要のない、
あるいはさらに亀裂発生の問題も解決した高耐圧半導体
装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、半導体基板の両主面に主電極を備え、
一面の主電極に接触する領域より他面の主電極と同電位
になる縁部側への基板の表面部に前記領域と同一導電型
のガードリング領域が選択的に形成され、前記主電極の
接触する領域およびガードリング領域表面に接触し、基
板表面上を前記縁部側に延びる酸化膜よりなるフィール
ドプレートが設けられる高耐圧半導体装置において、フ
ィールドプレートがプラズマCVD法で形成されたシー
ト抵抗108 〜1011Ω/□の窒化シリコン膜で覆われるも
のとする。また、その窒化シリコン膜の上に応力吸収可
能な絶縁膜が積層されることが有効である。
【0009】
【作用】フィールドプレートの上を窒化シリコン膜で覆
うことにより、表面保護材などの電荷を窒化シリコン膜
を通じて主電極へ逃がすことができるので、空乏層は順
調にフィールドプレートの下を広がり、耐圧を向上させ
ることができる。ただし窒化シリコン膜の抵抗が低すぎ
た場合、他面の主電極と同電位になる基板縁部から窒化
シリコン膜を通じて一面の主電極へ流れるもれ電流が大
きくなり、損失が大きくなると共に窒化シリコン膜を抵
抗体とする発熱が起こり、半導体基板が破壊するおそれ
がある。シート抵抗108 〜1011Ω/□はそれらの条件か
らきまる適切な範囲である。しかし、窒化シリコン膜
は、応力緩和に対して不向きな場合もあるが、その上に
応力吸収可能な絶縁膜を積層すると、表面保護材あるい
は容器などの上部部材から加わる応力によって窒化シリ
コン膜に亀裂が入るのを防ぐことができる。たとえ、導
電層に亀裂が入ったとしても、絶縁膜により外部からの
汚染が阻止される。また、窒化シリコン膜や絶縁膜にピ
ンホールなどの欠陥が生じても、窒化シリコン膜と絶縁
膜との欠陥が同位置に重なることがないので、外部から
の湿気等の侵入に対して効果がある。
【0010】
【実施例】図1は本発明の一実施例のたて型MOSFE
Tを示し、図2と共通の部分には同一の符号が付されて
いる。半導体素体は図2と同様であるが、Al配線7およ
びフィールドプレート層8の上をプラズマCVDによる
P−SiNからなる厚さ1000Åの低抵抗膜21が覆ってい
る。さらに、低抵抗膜21の上には低温生成SiO2 あるい
はPSGよりなる絶縁膜22が覆っている。このような表
面構造をもつ半導体素体は樹脂製の容器23の中に収容さ
れ、空間には、例えば接合被覆樹脂 (JCR)のような
表面保護材10が充填されている。低抵抗膜21の材料のP
−SiNは、反応ガスのSiH4とNH3 の混合比を変える
ことにより比抵抗を調整することができる。SiH4の比
率を上げると組成SixNyのxが大きくなって低抵抗化
し、NH3 の比率を上げるとSixNyのyが大きくなっ
て高抵抗もしくは絶縁性となる。図3は種々のシート抵
抗の低抵抗膜21を備えた約1300V耐圧を目標としたMO
SFETの逆耐圧およびドレイン・ソース電極3, 4間
のもれ電流を示す。1010Ω/□以上のシート抵抗になる
と表面保護材10の電荷の影響を受けて耐圧が目標の1300
Vから低下してしまい、109 Ω/□以下のシート抵抗で
はもれ電流が上昇してしまう。従って、この範囲に入る
ように膜質, 膜厚を制御するのが望ましいが、シート抵
抗108 〜1011Ω/□の範囲であれば成膜が容易であり、
実用的な特性が得られる。そして、低抵抗膜21は絶縁膜
22と共にパッシベーショ膜として働く。
【0011】低抵抗膜21としては、シリコンを蒸着法,
スパッタ法あるいはプラズマCVD法により堆積し、多
結晶ないし非晶質の膜にし、結晶状態や添加不純物の量
により比抵抗を調整した膜を用いることもできる。しか
し、蒸着法で成膜した場合は加熱時の内部応力でシリコ
ン膜が割れる場合がある。また、シリコンの多結晶ない
し非晶質の膜は成膜時にダンリングボンドができやす
く、該ダングリングボンドに水素が結合し、この水素が
結合した部分が水分の影響を受けやすく、該部分で漏れ
電流が生じやすい。これに対して、プラズマCVD法で
形成した窒化シリコン膜は安定して形成され、カバレー
ジがよく、パッシベーション効果が高い。シート抵抗を
108 〜1011Ω/□にすることによって空乏層は図1に線
13で示すように広がり、設計通りの耐圧をもった高耐圧
半導体装置を得ることができた。
【0012】絶縁膜22としては、低抵抗膜21よりも軟ら
かく、表面保護材10あるいは容器23からの応力緩和に役
立つと共に、外部から侵入する湿気に対して有効な耐湿
性の高い材料、例えば低温生成SiO2 やPSGなどを用
いる。しかし、絶縁膜22を用いないでプラズマCVD法
によるP−SiN生成の際のNH3 の比率を上げて高抵抗
にして前記のシート抵抗を持つように低抵抗膜21の膜厚
を例えば8000Åに厚くし、応力を十分に吸収できるよう
にしてもよい。膜厚を十分に厚くすることによって基板
表面のAl配線7のエッチングテーパのように段差のきつ
い部分をカバーできる低抵抗膜21を形成することが可能
になる。
【0013】絶縁膜22を形成する場合は、図示のように
ゲート24に接触するゲート電極25とソース電極4の間の
A部の低抵抗膜21をフォトエッチングで除き、絶縁膜22
を介在させることによってゲート・ソース間を保護する
こともできる。しかし、A部に低抵抗膜21を残しておけ
ば、ゲート酸化膜26の保護回路として使用することもで
きる。すなわち、人体等に誘起している静電気がゲート
電極に流れこみ、ゲート酸化膜26を破壊してしまうこと
があるが、低抵抗膜を配する事によって、ゲート24に入
った静電気をソース電極4に逃がすことも可能になる。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、酸化シリコンからなる
フィールドプレート層の上にプラズマCVD法で形成さ
れたシート抵抗108 〜1011Ω/□の窒化シリコン膜を形
成することにより、空乏層の半導体基板面に平行方向へ
の広がりに対する窒化シリコン膜上の表面保護材中など
の電荷の影響を防止することができ、基板の比抵抗を特
に高めることなしに半導体装置の高耐圧化が可能となっ
た。更に窒化シリコン膜であるため、カバレージがよ
く、パッシベーション効果が高い。そして、窒化シリコ
ン膜にその上の部材から加わる応力により亀裂の生ずる
のは、窒化シリコン膜上に応力吸収可能の絶縁膜を積層
することにより防止することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のたて型MOSFETの要部
断面図
【図2】従来のたて型MOSFETの要部断面図
【図3】本発明による低抵抗膜のシート抵抗とたて型M
OSFETの特性との関係線図
【符号の説明】
1 N型シリコン基板 2 P層 3 ドレイン電極 4 ソース電極 5 p+ ガードリング領域 7 配線 8 フィールドプレート層 10 表面保護材 21 低抵抗膜 22 絶縁膜 24 ゲート

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板の両主面に主電極を備え、一面
    の主電極に接触する領域より他面の主電極と同電位にな
    る縁部側への基板の表面部に前記領域と同一導電型のガ
    ードリング領域が選択的に形成され、前記主電極の接触
    する領域およびガードリング領域表面に接触し、基板表
    面上を前記縁部側に延びる酸化膜よりなるフィールドプ
    レートが設けられるものにおいて、該フィールドプレー
    トがプラズマCVD法で形成されたシート抵抗108 〜10
    11Ω/□の窒化シリコン膜で覆われたことを特徴とする
    高耐圧半導体装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の装置において、窒化シリコ
    ン膜の上に応力吸収可能の絶縁膜が積層された高耐圧半
    導体装置。
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