JP5534034B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力変換装置などに用いられる電力用高耐圧の半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
従来、電力用半導体装置として、主電流の流れる素子活性部と、素子活性部周辺の電界を緩和し耐圧を保持する領域と、を備えた装置が公知である(例えば、下記特許文献2(第1図、第5−1図)参照。)。下記特許文献2に記載された従来の電力用半導体装置について説明する。図6は、従来の半導体装置の構成を示す説明図である。図6(a)は、下記特許文献2に記載された従来の半導体装置の平面図である。図6に示す従来の半導体装置は、半導体基板1中央にあって主電流の流れる素子活性部2と、この素子活性部2を取り巻く周辺に配置される耐圧構造部3と、を備える。
図6(a)では、耐圧構造部3の直線部を符号3−1で示し、直線部3−1を曲線状に連結するコーナー部を符号3−2で示す。図6(a)では、素子活性部2および耐圧構造部3それぞれの内部に形成された実際の構造を示す詳細な平面パターンは図示省略する。図6(b)は、図6(a)の耐圧構造部3のA−A線における断面図である。図6(c)は、図6(b)の耐圧構造部3内の破線で示す矩形状の枠(以下、破線枠とする)で囲まれる部分の拡大断面図である。
図6に示す従来の半導体装置の耐圧構造部3は、オフ状態では、n型半導体基板1の上部電極と下部電極(上部電極は金属電極9a、下部電極は図示せず)との間にかかるオフ電圧を信頼性よく保持するために、n型半導体基板1のおもて面が少なくとも絶縁膜5で覆われる。この絶縁膜5は通常、酸化膜を主体とする膜からなり、絶縁膜5として窒化シリコン(SiN)系絶縁膜などが積層されていてもよい。また、この耐圧構造部3は、単に絶縁膜5で覆われるだけでなく、耐圧を向上させる目的で、ガードリング4bやフィールドプレート7,9bなどの電界緩和構造が設けられることが多い。符号11は、酸化膜である。
フィールドプレート9bは、前述の電界緩和機能による耐圧向上のほかにも、外部環境から耐圧構造部3の絶縁膜5のおもて面近傍に侵入する外部電荷をシールド(遮断)して、長期耐圧信頼性を維持する機能(耐電荷性、誘起電荷遮断機能ともいう)も併せ持っている。外部電荷(図示せず)は、絶縁膜5表面に達して付着した場合、絶縁膜5に誘起された電荷の極性がオフ電圧時に絶縁膜5直下のn型半導体基板1おもて面近傍での電界強度分布に影響を及ぼして耐圧信頼性を劣化させることがあるため、好ましくないからである。
また、フィールドプレート9bは、製造プロセスの効率上、素子活性部2のおもて面側のp型ウエル領域4a表面に接触する金属電極9aと同時形成される。このため、フィールドプレート9bは、一般的に、金属電極9aと同種の金属膜を用いて形成される。前述の耐電荷性については、金属膜からなる厚いフィールドプレート9bは、ポリシリコン膜からなる薄いフィールドプレート7よりも外部電荷による影響を遮断する機能が高いという特長を有する。そのような金属電極9aおよびフィールドプレート9bとなる金属膜として、例えばシリコン(Si)を微量添加したアルミニウム合金(Al−Si合金)膜がスパッタ等によりn型半導体基板1おもて面に被膜形成される。
特に電力用半導体装置では、この金属電極9aおよびフィールドプレート(以下、金属膜フィールドプレートとする)9bとなる金属膜は3μm〜5μm程度と比較的厚く形成される。このため、金属電極9aおよび金属膜フィールドプレート9bは、ドライエッチングではなく、フォトプロセスを用いたウェットエッチングにより所要の電極パターンやフィールドプレートパターンに加工される。しかしながら、比較的厚いAl−Si合金膜などの金属膜をウェットエッチングでパターン形成するため、金属膜のサイドエッチング幅がばらつくなど、エッチング量のばらつきが大きくなり易い。その結果、初期耐圧のばらつきが大きくなる虞がある。
この耐圧ばらつきを低減するには、サイドエッチング幅のばらつきなどのエッチング量のばらつきの大きさを予め見込んで耐圧構造部3の幅(素子活性部2との境界からn型半導体基板1の外端へ向かう方向における耐圧構造部3の幅)を広げた設計にしておく必要がある。しかしながら、耐圧構造部3の幅を広げることは、コスト低減の観点からチップサイズの拡大につながるため、好ましくない。
フィールドプレート7の材料としては導電性ポリシリコン膜や、半絶縁性薄膜などが用いられる。このフィールドプレート7は、比較的厚い金属膜フィールドプレート9bよりも厚さが薄く、ドライエッチングによるパターン加工が可能である。このため、フィールドプレート7のパターン加工精度は、金属膜フィールドプレート9bのパターン加工精度よりも高い。
さらに、高耐圧にするために耐圧構造部3の電界緩和効果を強くするほど、耐圧構造部3の幅を広げる必要がある。しかしながら、この場合においても、前述のように耐圧構造部3の幅を広げることでチップサイズの拡大につながる。また、耐圧構造部3の幅が広くなることで耐圧構造部3の占有面積が大きくなり、素子活性部2の面積が相対的に減少する。このため、耐圧構造部3の幅は狭いことが望ましい。
そこで、図6に示す従来の耐圧構造部3では、金属膜フィールドプレート9bのパターン加工精度を向上させるために、フィールドプレートを金属膜とポリシリコン膜との二重構造にしている。この二重構造のフィールドプレートは、下層をポリシリコン膜からなるフィールドプレート(以下、ポリシリコンフィールドプレートとする)7とし、上層を金属膜フィールドプレート9bとしている。
そして、下層のポリシリコンフィールドプレート7の幅を上層の金属膜フィールドプレート9bの幅とほぼ等しくすることにより、耐圧構造部3の幅の拡大をできるだけ小さくしつつ、電界緩和効果と耐電荷性との双方を向上させている。また、二重構造のフィールドプレートとして下層にポリシリコン膜を使用しているため、初期耐圧のばらつきを金属膜フィールドプレート9bのみでフィールドプレートを構成した場合に比べて軽減する効果がある。
前述のような二重構造のフィールドプレートを形成する際には、電界緩和機能を有効にするために各フィールドプレートとガードリングとを同電位にする必要がある。そのためにはガードリング表面の絶縁膜に開口部を設けて、この開口部を介してフィールドプレートをガードリングにコンタクト(接触)させる構造とする。その際、エッチングによる絶縁膜のパターン加工精度とアライメント精度との両方を加味し、かつ抵抗の低いコンタクト部を形成するには、コンタクト部を設けない場合に比してガードリングの幅を広げる必要がある。
この点に関して、下記特許文献2には、絶縁膜5に設けるコンタクト(接触)部を、耐圧構造部3の4隅のコーナー部3−2のp型ガードリング4b上のみに配置し、耐圧構造部3の直線部3−1にはコンタクト部を配置せず幅も広げない構造とすることが提案されている。その結果、下記特許文献2では、実質的に耐圧構造部3の幅を変えず、初期耐圧のばらつきが小さい半導体装置が得られる構造となっている。
また、初期耐圧のばらつきに影響する別の要因として、ガードリングとフィールドプレートとの間のアライメントずれがある。通常、ガードリングのp型層は、フォトリソグラフィ法により酸化膜に開口部を形成し、この酸化膜をマスクにしてn型半導体基板にp型不純物(ボロン(B)など)をイオン注入することにより形成する。一方、フィールドプレートにおいては金属膜フィールドプレートあるいはポリシリコンフィールドプレートをパターニングするため、ガードリングの形成時に用いたマスクとは異なるマスクを使用する。
このようにガードリングとフィールドプレートとで異なるマスクを用いるため、ガードリングのパターンとフィールドプレートのパターンとの間に、各マスクのフォトリソグラフィ工程(特に露光)におけるアライメントずれが生じることは避けられない。このアライメントずれ(アライメント精度)は、ガードリングとフィールドプレートとの間の相対的な位置関係のずれとなり、電界強度分布のばらつきをもたらすため、最終的に耐圧のばらつきとなる。
このアライメントずれに起因する耐圧ばらつきを低減する方法として、フォトリソグラフィによりパターニングされた酸化膜をマスクとして用いずに、ポリシリコンフィールドプレートをマスクにして自己整合的にガードリングを形成してアライメント工程を省くことにより耐圧ばらつきを小さくする方法が提案されている(例えば、下記特許文献3(第3図、第0007段落、第0009段落)参照)。下記特許文献3では、ガードリングを形成するためのアライメントが行われないため、アライメント回数が一回少なくなり、アライメントずれが小さくなる。
なお、耐圧構造部のフィールドプレート技術に関して、耐圧構造部の占有面積を増加させることなく、安定した高耐圧特性を得るために、導電性膜からなるフィールドプレートと半絶縁性膜からなるフィールドプレートとを複数のリング状のガードリング上に交互に配置する技術が提案されている(例えば、下記特許文献1(第1図、第0026段落)参照)。
特許第3591301号公報 特開2008−193043号公報 特開平8−250512号公報
しかしながら、上記特許文献2では、耐圧構造部の4隅のコーナー部のみにフィールドプレートとガードリング表面とのコンタクト部を設けるための複数回のアライメントに起因してアライメント精度が低下する。このため、アライメント精度の低下に起因して初期耐圧ばらつきが生じるという問題は解消されていない。例えば、図6(c)に示す耐圧構造部3におけるフィールドプレート7,9bによる電界緩和効果は、このフィールドプレート7,9bの、ガードリング4bの端部からのはみ出し距離(ガードリング4bの端部の左右方向の距離)によって変動する。
二重構造のフィールドプレートの場合は、特にn型半導体基板1おもて面により近いポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離が重要となる。ポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離Xは、フィールド酸化膜である絶縁膜5の開口部側壁の位置から絶縁膜5上に伸びるポリシリコンフィールドプレート7の端部の位置までの距離となる。絶縁膜5の開口部側壁の位置とポリシリコンフィールドプレート7の端部との位置は、絶縁膜5の開口部の形成時およびポリシリコンフィールドプレート7の形成時のアライメント精度の影響を受けてそれぞれ変動する。
アライメント精度をアライメントずれの大きさであらわし、絶縁膜5の開口部側壁の位置のばらつきを±aとし、ポリシリコンフィールドプレート7の端部に位置のばらつきを±bとした場合、ポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離XのばらつきはX±(a+b)であらわされる。このポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離XのばらつきX±(a+b)により、電界緩和能力の程度がばらつくことになる。その結果、この電界緩和能力のばらつきを原因とする初期耐圧のばらつきが生じる。例えば車載用パワー半導体装置の市場では、通常より特に小さい初期耐圧ばらつきが求められるため、この耐圧ばらつきの影響が大きい。耐圧ばらつきが大きい装置を選別すればよいが、コストに大きく反映する。
また、上記特許文献3では、ポリシリコンフィールドプレートの開口部からのイオン注入による自己整合によりガードリングを形成する場合、ガードリング表面とポリシリコンフィールドプレートとのコンタクト(導電接触)を容易に形成することができない。さらに、ポリシリコンフィールドプレートの上部に層間絶縁膜を介して例えばアルミニウム(Al)からなる金属膜フィールドプレートを形成する場合も、コンタクト部内に埋め込まれた層間絶縁膜の除去が困難となる。このため、両方のフィールドプレートとガードリング表面とのコンタクトが困難であるという問題がある。
さらに、上記特許文献2に記載された耐圧構造部3の場合、ポリシリコンフィールドプレート7とガードリング4bとは、耐圧構造部3の4隅のコーナー部3−2のうち1、2点のみでそれぞれ金属膜フィールドプレート9bと導電接続されることで同電位になっている。また、ポリシリコンフィールドプレート7のシート抵抗は十分低抵抗化した場合でも数10Ω/□程度であり、金属膜フィールドプレート9bのシート抵抗よりも大きい。そのため、例えば素子の大電流化を図るためにチップサイズが大きくなり、それに応じて耐圧構造部3の直線部3−1の長さが長くなった場合、外部電荷の飛来による悪影響を大きく受けてしまう。
具体的には、外部電荷の飛来により、同じガードリング4b上において、耐圧構造部3のコーナー部3−2のコンタクト部と、耐圧構造部3の直線部3−1のガードリング4bまたは当該ガードリング4b上に配置されたポリシリコンフィールドプレート7の中間付近との間で電位差が生じ、電界強度分布のバランスが崩れて耐圧が低下する虞がある。すなわち、素子活性部2のp型ウエル領域4aの外周端および耐圧構造部3の複数のガードリング4b端部の電界強度の各ピーク値のうち、外部電荷の飛来による電位差の発生によりある一つのガードリング4bの電界強度だけが異常に増加する。これにより、低い動作電圧でもその1点のみで局所的なアバランシェ降伏が発生して降伏電流が集中することで、耐圧が低下する虞がある。すなわち、局所的なアバランシェ降伏による降伏電流の分担がアンバランスであるという問題がある。
例えば、強い外部電荷が耐圧構造部3上に飛来した場合であっても、二重構造のフィールドプレートにより、外部電荷をフィールドプレートと同電位に固定する効果を、ある程度期待することができる。しかしながら、この二重構造のフィールドプレートとガードリングとの電気的な接触は、前述のように耐圧構造部3の4隅のコーナー部3−2に設けられたコンタクト部のうち1,2点のみで行われる。また、ポリシリコンフィールドプレート7およびガードリング4bは、金属膜フィールドプレート9bに比べるとシート抵抗が大きい。
そのため、同じガードリング4b上において、耐圧構造部3の4隅のコーナー部3−2のコンタクト部と、耐圧構造部3の直線部3−1のガードリング4bまたはこのガードリング4b上に配置されたポリシリコンフィールドプレート7の中で特に中間付近との間では、電位が十分に固定されず、この2点間に電位差が生じ、電界強度分布のバランスが崩れてくる虞がある。このようなポリシリコンフィールドプレート7およびガードリング4bの抵抗成分に起因する電位差の発生を抑制することが望ましい。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、初期耐圧のばらつきを小さくすることができ、また外部電荷の悪影響を受け難く、かつ長期耐圧信頼性にも優れる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。矩形状の第1導電型半導体基板に、主電流の流れる素子活性部が設けられている。直線部と当該直線部を曲線状に連結するコーナー部とを有し、前記素子活性部を囲む耐圧構造部が設けられている。前記第1導電型半導体基板の表面層に、前記耐圧構造部の前記直線部から前記コーナー部に亘って第2導電型のガードリングが設けられている。前記ガードリングの表面に絶縁膜を介して環状のポリシリコンフィールドプレートが設けられている。環状の前記ポリシリコンフィールドプレートは、当該ガードリングの内周側と外周側とに分離して配置される。内周側の前記ポリシリコンフィールドプレートと外周側の前記ポリシリコンフィールドプレートとの間の前記絶縁膜上に、前記ポリシリコンフィールドプレートどうしを相互に所定の間隔で連結する複数のポリシリコンブリッジが設けられている。前記絶縁膜、前記ポリシリコンフィールドプレート、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングの表面に、層間絶縁膜が設けられている。前記層間絶縁膜には、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングを選択的に露出するコンタクトホールが設けられている。前記コンタクトホールを介して前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングに接し、前記ポリシリコンブリッジと前記ガードリング表面とを相互に導電接続する金属膜フィールドプレートが設けられている。前記金属膜フィールドプレートは、前記耐圧構造部の前記コーナー部の前記ガードリングの上と、前記耐圧構造部の前記直線部の少なくとも一つの前記ガードリング上とに設けられている。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ガードリングは環状に配置され、前記金属膜フィールドプレートが、少なくとも一つの前記ガードリングの全周に亘って設けられていることが好ましい。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ポリシリコンブリッジの幅が前記ガードリングの拡散深さの2倍よりも狭いことが好ましい。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ポリシリコンブリッジの幅が前記ガードリングの拡散深さの0.8倍よりも狭いことがより好ましい。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記耐圧構造部の前記コーナー部および前記直線部に配置された部分上に前記金属膜フィールドプレートを有する前記ガードリングと、前記コーナー部に配置された部分上のみに前記金属膜フィールドプレートを有する前記ガードリングとが、前記素子活性部側から前記第1導電型半導体基板の外周部側へ向かう方向に交互に配置されていることが望ましい。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、矩形状の第1導電型半導体基板に設けられた、主電流の流れる素子活性部と、直線部と当該直線部を曲線状に連結するコーナー部とを有し、前記素子活性部を囲む耐圧構造部と、前記第1導電型半導体基板の表面層に、前記耐圧構造部の前記直線部から前記コーナー部に亘って設けられた第2導電型のガードリングと、前記ガードリングの表面に絶縁膜を介して設けられ、当該ガードリングの内周側と外周側とに分離して配置される環状のポリシリコンフィールドプレートと、内周側の前記ポリシリコンフィールドプレートと外周側の前記ポリシリコンフィールドプレートとの間の前記絶縁膜上に設けられ、前記ポリシリコンフィールドプレートどうしを相互に所定の間隔で連結する複数のポリシリコンブリッジと、前記絶縁膜、前記ポリシリコンフィールドプレート、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングの表面に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に設けられ、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングを選択的に露出するコンタクトホールと、前記コンタクトホールを介して前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングに接し、前記ポリシリコンブリッジと前記ガードリング表面とを相互に導電接続する金属膜フィールドプレートと、を備え、前記金属膜フィールドプレートは、前記耐圧構造部の前記コーナー部の前記ガードリング上と、前記耐圧構造部の前記直線部の少なくとも一つの前記ガードリング上とに設けられている半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。先ず、前記第1導電型半導体基板の表面に、前記素子活性部を囲む環状の複数の前記ポリシリコンフィールドプレートを形成する。次に、前記ポリシリコンフィールドプレートをマスクとして、前記ポリシリコンフィールドプレートに挟まれた部分に露出する前記第1導電型半導体基板に第2導電型不純物をイオン注入することで前記ガードリングを形成することが好ましい。
上述した発明によれば、ポリシリコンフィールドプレートをマスクとして自己整合的にガードリングを形成するためのイオン注入を行うことで、ガードリングを形成するためのアライメント工程を省略することができる。このため、ポリシリコンフィールドプレートのはみ出し距離のばらつきを、ポリシリコンフィールドプレートのパターン形成時のエッチングばらつきのみとすることができる。これにより、アライメントずれを低減し、ガードリングとフィールドプレートとの間の相対的な位置関係のずれを抑制することができる。
また、上述した発明によれば、金属膜フィールドプレートおよびポリシリコンブリッジを介して、ポリシリコンフィールドプレートとガードリングとの電位が十分に固定され同電位となる。これにより、同じガードリング上において、耐圧構造部のコーナー部のコンタクト部と、耐圧構造部の直線部のガードリングまたは当該ガードリング上に配置されたポリシリコンフィールドプレートの中間付近との間の電位が固定され、電位差が殆ど生じない。従って、安定した電界緩和能力を得ることができる。
また、上述した発明によれば、ポリシリコンフィールドプレートとガードリングとの電位が十分に固定され同電位となることにより、耐圧構造部上に外部電荷が飛来した場合であっても、同じガードリング上における、耐圧構造部のコーナー部のコンタクト部と、耐圧構造部の直線部のガードリングまたは当該ガードリング上に配置されたポリシリコンフィールドプレートの中間付近との間に電位差が生じることを抑制することができる。これにより、局所的なアバランシェ降伏が発生することを防止し、耐圧が低下することを抑制することができる。
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、初期耐圧のばらつきを小さくすることができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、外部電荷の悪影響を受け難く、長期耐圧信頼性にも優れる半導体装置を提供することができるという効果を奏する。
図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す平面図である。 図2は、図1の半導体装置の要部を詳細に示す説明図である。 図3は、図1の半導体装置の要部を詳細に示す断面図である。 図4は、図1の半導体装置の要部を詳細に示す断面図である。 図5は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置および従来の半導体装置の製造途中の状態を示す要部断面図である。 図6は、従来の半導体装置の構成を示す説明図である。 図7は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の耐圧について示す特性図である。
以下、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明は、以下説明する実施の形態の記載のみに限定されるものではない。以下の説明では、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、n型とp型とを逆にすることもできる。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(実施の形態)
本発明の実施の形態にかかる半導体装置について、図1〜4を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す平面図である。図2は、図1の半導体装置の要部を詳細に示す説明図である。図3,4は、図1の半導体装置の要部を詳細に示す断面図である。図1(b)の平面図に示すように、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置は、矩形状の平面形状を有する半導体基板1の中央部に設けられた主電流が流れる素子活性部2と、この素子活性部2の外周を取り巻く耐圧構造部3と、を備える。図1(b)においては、素子活性部2と耐圧構造部3との相互の配置を明確に示すために、それぞれの内部の詳細な構造および平面パターンを図示省略する。
耐圧構造部3は、n型の半導体基板1の4辺に沿った4つの直線部3−1と、これらの直線部3−1を半導体基板1の4隅で曲線状に連結するコーナー部3−2とを有する。また、本発明の半導体装置は主として耐圧構造部3の構成にかかるため、素子活性部2についての詳細な説明を省略する。素子活性部2には、例えば、MOS(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)型半導体装置や、ダイオードなどの周知の素子構造が形成されていてもよい。耐圧構造部3については、破線円Zで示すコーナー部3−2近傍の詳細な平面パターンの拡大平面図を図1(a)に示す。図1(a)では耐圧構造部3の平面パターンを明確に示すために、金属膜フィールドプレート9bを図示省略する。
図1(a)に示すように、耐圧構造部3には図示のパターンの下の半導体基板1の表面層に6重のp型のガードリング4bを有する。図1(a)において太線で示す平面パターンは、ガードリング4b表面と図1には示されない金属膜フィールドプレート9bとのコンタクト部10である。各ガードリング4b上には、絶縁膜(酸化膜)5を介して、それぞれのガードリング4bの内周側と外周側とに分離して配置される環状のポリシリコンフィールドプレート7が形成されている。そして、耐圧構造部3のコーナー部3−2には各ガードリング4b上にてポリシリコンフィールドプレート7をはしご段状に連結するポリシリコンブリッジ8が形成されている。
このポリシリコンフィールドプレート7には、コンタクト部10にて、ポリシリコンブリッジ8を介して金属膜フィールドプレート9bが接する。ガードリング4bには、コンタクト部10において金属膜フィールドプレート9bが接する。そのため、金属膜フィールドプレート9bを介して、ポリシリコンフィールドプレート7とガードリング4bとは相互に電気的に導電接続され、同電位となっている。図1(a)ではコンタクト部10を示す太線は連続線として描かれている。このコンタクト部10を示す太線は、ポリシリコンブリッジ8を切断するものではなく、ポリシリコンフィールドプレート7と金属膜フィールドプレート9bとの間に形成される層間絶縁膜6および絶縁膜5の開口部を示している。コンタクト部10には、ガードリング4bの表面とポリシリコンブリッジ8とが露出される。
ガードリング4bと金属膜フィールドプレート9bとの接触箇所、および、ポリシリコンブリッジ8と金属膜フィールドプレート9bとの接触箇所の断面構造について説明する。図2(a)は、図1(a)の破線枠Gの拡大平面図である。図2(b)は、図2(a)のB−B線断面図である。図3(a)は、図2(a)のD−D線断面図である。図3(b)は図2(a)のC−C線断面図である。図2(a)ではポリシリコンフィールドプレート7およびポリシリコンブリッジ8の平面パターンを明確に示すために、金属膜フィールドプレート9bを図示省略する。
金属膜フィールドプレート9bは、コンタクト部10でガードリング4b表面に接触する(図2(b))とともに、ポリシリコンブリッジ8の表面とも接触する(図3(a),3(b))。また、ガードリング4bを挟んで内周側と外周側とに分離して配置されたポリシリコンフィールドプレート7どうしは、ポリシリコンフィールドプレート7と同材料でできたポリシリコンブリッジ8により連結されている。このため、ガードリング4bは、ポリシリコンフィールドプレート7および金属膜フィールドプレート9bと同電位となる。
図2(b)に示すように、ガードリング4bは、素子活性部2内に形成された例えばMOS型半導体装置の図示しないpベース領域と同時に、ポリシリコンフィールドプレート7をマスクにしてポリシリコンフィールドプレート7の開口部からイオン注入により形成される。図2(b)に、ポリシリコンフィールドプレート7の開口部の位置を一点鎖線12で示す。このポリシリコンフィールドプレート7およびポリシリコンブリッジ8は、ガードリング4bを形成するためのイオン注入工程よりも前に、例えば素子活性部2内の図示しないゲート酸化膜およびポリシリコンゲート電極の形成と同時に、端部の位置が一点鎖線12,13となるように形成される。
また、前述のように、このポリシリコンフィールドプレート7をマスクにしてガードリング4bを形成した後、ポリシリコンフィールドプレート7の上に、層間絶縁膜6を介してAl−Si合金などの金属膜フィールドプレート9bが形成される。その後、層間絶縁膜6に予め設けられていた開口部(コンタクト部10)を介してガードリング4bと金属膜フィールドプレート9bとが接触される。
このガードリング4b、ポリシリコンフィールドプレート7および金属膜フィールドプレート9bを形成するときに従来問題にされていたアライメントずれは、ポリシリコンフィールドプレート7のパターン形成時のエッチングばらつきを±bとした場合、一点鎖線12と一点鎖線13との間のポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離XのばらつきはX±bだけとなる。このポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離XのばらつきX±bは、前述の図6(c)の従来のポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離XのばらつきX±(a+b)と比較して、アライメント回数が従来よりも一回少なく、アライメントずれが±bのみにとどまるため、小さくなる。さらに、一般的に、ポリシリコンフィールドプレート7の厚さはフィールド酸化膜である絶縁膜5の厚さより薄くすることができる。ポリシリコンフィールドプレート7の厚さが薄いことで、エッチングばらつきも小さくなるため、本発明の実施の形態にかかるポリシリコンフィールドプレート7のはみ出し距離XのばらつきX±bは、従来のはみ出し距離XのばらつきX±(a+b)に比べるとさらに小さいずれとなる。
図2(a)に示すように、D−D線断面において、本発明にかかるガードリング4bはポリシリコンブリッジ8を2箇所で横切っている。図3(a)にはその2箇所のポリシリコンブリッジ8の断面構成が図示されている。前述のように、本発明にかかる耐圧構造部3では、ガードリング4bはポリシリコンフィールドプレート7をマスクとして形成される。このため、ポリシリコンブリッジ8の直下には、ガードリング4bを形成するためのp型不純物はイオン注入されない。このイオン注入とともに熱拡散が行われることで、ポリシリコンブリッジ8の直下においてガードリング4bが繋がり環状となる。
ガードリング4bがポリシリコンブリッジ8の直下に形成されずに不連続になる場合、耐圧が低下する虞がある。このため、ポリシリコンブリッジ8の幅(D−D線方向の幅)Lは、熱拡散によりポリシリコンブリッジ8の直下でガードリング4bが繋がる程度に狭いことが好ましい。ガードリング4bを形成する際にイオン注入とともに行われる熱拡散は、半導体基板1のおもて面から深さ方向に拡散深さXjで拡散するだけでなく、半導体基板1の主面に平行な方向にも進行する。このため、ガードリング4bを形成するために注入されたp型不純物の、半導体基板1の主面に平行な方向への拡散幅よりもポリシリコンブリッジ8の幅Lが狭ければ、ポリシリコンブリッジ8の両側方からの熱拡散によりガードリング4bを繋げることができる。
図7に示すようにポリシリコンブリッジ8の幅Lに対するガードリング4bの拡散深さXjの比(以下、ポリシリコンブリッジ8の幅L/ガードリング4bの拡散深さXjとする)と耐圧との関係について検証した。図7は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の耐圧について示す特性図である。図7において、横軸は、ポリシリコンブリッジ8の幅L/ガードリング4bの拡散深さXjである。縦軸は、ポリシリコンブリッジ8がないときの耐圧(ガードリングが完全に連続しているときの耐圧)を基準耐圧(100%)として、測定耐圧BVdssを百分率で表したものである。
図7に示す結果から、ポリシリコンブリッジ8の幅L/ガードリング4bの拡散深さXjが0.8より大きい場合に耐圧が低下することが確認された。従って、ポリシリコンブリッジ8の幅はガードリング4bの拡散深さの0.8倍未満であることが好ましい。例えば、ガードリング4bの拡散深さを3μmとした場合、ポリシリコンブリッジ8の幅は2.4μm未満であることが好ましい。ただし、ポリシリコンブリッジ8の幅をガードリング4bの拡散深さの2倍の6μmにした場合であっても、基準耐圧の97%以上の耐圧が得られるため、ポリシリコンブリッジ8の幅L/ガードリング4bの拡散深さXjを0.8よりも大きくしたとしても直ちに耐圧不良になるわけではない。
図3(b)のC−C線断面図に示すように、ガードリング4bの上方に絶縁膜5を介してポリシリコンブリッジ8が設けられている。ポリシリコンブリッジ8は、ガードリング4bの両端部側の上方にそれぞれ設けられたポリシリコンフィールドプレート7どうしを連結する。また、ポリシリコンブリッジ8は、コンタクト部10内に露出されている。金属膜フィールドプレート9bは、コンタクト部10内においてポリシリコンブリッジ8の表面と接触し、ポリシリコンフィールドプレート7に電気的に接続されている。金属膜フィールドプレート9bは、ガードリング4bの表面と接触し電気的に接続されているため、ガードリング4bおよびポリシリコンフィールドプレート7の両方と電気的に接続され、同電位にされている。
耐圧構造部3には、ポリシリコンブリッジ8が耐圧構造部3のコーナー部3−2および直線部3−1に複数形成されている。ポリシリコンブリッジ8を複数形成することにより、内周側および外周側のポリシリコンフィールドプレート7どうしが電気的に安定して接続される。このポリシリコンブリッジ8は1個よりも多く、複数個形成されればよく、例えば、コンタクト部10に金属膜フィールドプレート9bを密着性よく形成することができる面積を確保可能な個数で形成されればよい。例えば、ポリシリコンブリッジ8が2個以上形成される場合、ポリシリコンブリッジ8の配置間隔は10μm以上あることが好ましい。
ポリシリコンブリッジ8とガードリング4b表面とを相互に導電接続する金属膜フィールドプレート9bは、耐圧構造部のコーナー部3−2のガードリング4bと、耐圧構造部の直線部3−1の少なくとも1本のガードリング4bとに形成されていれば、前述の効果を奏することができる。より強く効果を奏するには、少なくとも1本のガードリング4bの全周にわたり金属膜フィールドプレート9bが形成されると好ましい。
ガードリング4bの配置について、図4を参照して説明する。図4(a),4(b)では、図面の左側が耐圧構造部3の内周側であり、図面右側が、耐圧構造部3の外周側である。図4(a)は図1(a)のE−E線断面図であり、耐圧構造部3のコーナー部3−2の断面図である。図4(b)は図1(a)のF−F線断面図であり、耐圧構造部3の直線部3−1の断面図である。図4(a)に示す耐圧構造部3のコーナー部3−2における金属膜フィールドプレート9bの配置と、図4(b)の耐圧構造部3の直線部3−1における金属膜フィールドプレート9bの配置とを比較する。
図4(a)に示すように、耐圧構造部3のコーナー部3−2において、金属膜フィールドプレート9bは、すべてのガードリング4b上に形成され、それぞれガードリング4bに接触している。一方、図4(b)に示すように、耐圧構造部3の直線部3−1において、金属膜フィールドプレート9bは、ガードリング4bに対して一本おき(交互)に形成され、金属膜フィールドプレート9bに接していないガードリング4bの幅(F−F線方向の幅)が、金属膜フィールドプレート9bに接しているガードリング4bの幅より狭くなっている。その結果、耐圧構造部3全体の幅も、耐圧構造部3のコーナー部3−2の幅よりも耐圧構造部3の直線部3−1の幅を狭くすることができる。
また、本発明の特徴は、耐圧構造部3のコーナー部3−2のガードリング4b上だけでなく、耐圧構造部3の直線部3−1のガードリング4b上にもポリシリコンブリッジ8を複数設けている点である。これにより、金属膜フィールドプレート9bを介して、耐圧構造部3の直線部3−1のガードリング4bとポリシリコンフィールドプレート7とが相互に同電位となるように接続される。この特徴により、同じガードリング4b上において、耐圧構造部3のコーナー部3−2のコンタクト部10と、耐圧構造部3の直線部3−1のガードリング4bまたはこのガードリング4b上に配置されたポリシリコンフィールドプレート7の中間付近との間で電位差が生じることは殆どない。
仮に外部電荷が耐圧構造部3の表面に存在したとしても、上記のような電位差の発生が抑えられ、電界強度分布のバランスも良好に維持することができる。このため、局所的なアバランシェ降伏の発生を抑えることができる。従って、耐圧の低下が抑えられ、長期信頼性に優れるという効果を奏することができる。特に、素子の大電流化を図るためにチップサイズが大きくなり、それに応じて耐圧構造部3の直線部3−1の長さが長くなる場合や、定格電圧の高耐圧化(600V〜1700V、または3300V、4500V、6500Vなど)により耐圧構造部3の面積が大きくなる場合に、この効果はより顕著にあらわれる。
次に、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、従来の製造方法と比較しながら説明する。図5は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置および従来の半導体装置の製造途中の状態を示す要部断面図である。図5(a)〜5(c)は従来の半導体装置の製造方法について、ガードリング近傍の要部断面図で示す。図5(d)〜5(f)は本発明の実施の形態にかかる半導体装置について、従来の製造方法との違いが明確になるように、ガードリング4b近傍の要部断面図で示したものである。従って、以降の半導体装置の製造方法についても主として耐圧構造部3を中心に説明する。また、素子活性部2には、MOS半導体装置を形成する場合を例に説明する。
先ず、n型の半導体基板1のおもて面に熱酸化によって酸化膜からなる絶縁膜5を形成する。次に、従来の半導体装置の製造方法では、パターニングおよびエッチングによって耐圧構造部3に厚い絶縁膜5を残すとともに、周知のフォトリソグラフィ工程によりp型のガードリング4bとなる領域上の絶縁膜5に開口部を形成し、イオン注入により絶縁膜5の開口部にガードリング4bを形成する(図5(a))。一方、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法では、絶縁膜5とその開口部のみを形成し、この段階では、まだガードリング4bは形成しない(図5(d))。
続いて、従来の半導体装置の製造方法では、素子活性部2のゲート酸化膜の形成とゲートポリシリコン層の成長を行う。次に、ゲートポリシリコン層のパターニングおよびドライエッチングにより、素子活性部2のゲート電極(図示せず)と、図5(b)に示すように同時に耐圧構造部3のポリシリコンフィールドプレート7を形成する。一方、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法では、図5(e)に示すように、ポリシリコンフィールドプレート7のために堆積したポリシリコン層にガードリング4b形成用の開口部を形成し、このポリシリコン層をマスクとしてボロンなどのp型不純物を半導体基板1にイオン注入することでガードリング4bを形成する。図示省略するが、ポリシリコンブリッジ8は、ポリシリコンフィールドプレート7と同材料で、ポリシリコンフィールドプレート7と同時に形成されてもよい。
次に、従来の半導体装置の製造方法では、図5(c)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により層間絶縁膜6を形成する。次に、層間絶縁膜6上にAl−Si合金などの金属膜をスパッタ法などで堆積被着させ、金属膜フィールドプレート9bを形成する。その後、素子活性部2の裏面構造(不図示)などを形成することにより、図6(c)に示すように従来の半導体装置が完成する。一方、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法では、図5(f)に示すように、層間絶縁膜6をCVD法で形成した後に、この層間絶縁膜6に、金属膜フィールドプレート9bをガードリング4b表面に接触させるためのコンタクト部10を形成する。次に、コンタクト部10内に埋め込むように、Al−Si合金などの金属膜をスパッタ法などで被着させる。次に、コンタクト部10内に金属膜が残るように金属膜をパターニングし、金属膜フィールドプレート9bを形成する。その後、素子活性部2の裏面構造(不図示)などを形成することにより、図2(b)や図4の(a)に示す半導体装置が完成する。
以上、説明したように、金属膜フィールドプレートとポリシリコンフィールドプレートとからなる二重構造のフィールドプレートとすることにより、金属膜フィールドプレートのみでフィールドプレートを構成した場合に比べて金属膜フィールドプレートの厚さを薄くすることができる。これにより、金属膜フィールドプレートの加工精度を向上させることができる。このため、サイドエッチング幅のばらつきなどのエッチング量のばらつきを小さくすることができる。従って、初期耐圧のばらつきを低減することができる。
また、実施の形態によれば、ポリシリコンフィールドプレートをマスクとして自己整合的にガードリングを形成するためのイオン注入を行うことで、ガードリングを形成するためのアライメント工程を省略することができる。このため、ポリシリコンフィールドプレートのはみ出し距離のばらつきを、ポリシリコンフィールドプレートのパターン形成時のエッチングばらつきのみとすることができる。これにより、アライメントずれを低減し、ガードリングとフィールドプレートとの間の相対的な位置関係のずれを抑制することができる。従って、初期耐圧のばらつきを低減することができる。
また、実施の形態によれば、金属膜フィールドプレートおよびポリシリコンブリッジを介して、ポリシリコンフィールドプレートとガードリングとの電位が十分に固定され同電位となる。これにより、同じガードリング上において、耐圧構造部のコーナー部のコンタクト部と、耐圧構造部の直線部のガードリングまたは当該ガードリング上に配置されたポリシリコンフィールドプレートの中間付近との間の電位が固定され、電位差が殆ど生じない。従って、安定した電界緩和能力を得ることができ、初期耐圧のばらつきを小さくすることができる。
また、実施の形態によれば、ポリシリコンフィールドプレートとガードリングとの電位が十分に固定され同電位となることにより、耐圧構造部上に外部電荷が飛来した場合であっても、同じガードリング上における、耐圧構造部のコーナー部のコンタクト部と、耐圧構造部の直線部のガードリングまたは当該ガードリング上に配置されたポリシリコンフィールドプレートの中間付近との間に電位差が生じることを抑制することができる。これにより、局所的なアバランシェ降伏が発生することを防止し、耐圧が低下することを抑制することができる。従って、長期信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
以上説明した本発明は、上述した実施の形態に限らず、素子活性部を囲む耐圧構造部を備えた様々な半導体装置に適用可能である。具体的には、上述した実施の形態では、主として耐圧構造部について説明し、素子活性部については詳細な説明を省いたが、素子活性部に形成される素子としてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、ダイオードなどを適用することができる。この場合、これらの素子のよく知られた素子活性部を囲む耐圧構造部に、前述の実施の形態で説明した本発明にかかる半導体装置の耐圧構造部の構成を適用すればよい。
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電力変換装置などに使用される高耐圧なパワー半導体装置に有用である。
1 半導体基板
2 素子活性部
3 耐圧構造部
3−1 耐圧構造部の直線部
3−2 耐圧構造部のコーナー部
4b ガードリング
5 絶縁膜
6 層間絶縁膜
7 ポリシリコンフィールドプレート
8 ポリシリコンブリッジ
9a 金属電極
9b 金属膜フィールドプレート
10 コンタクト部
11 酸化膜
12、13 一点鎖線

Claims (6)

  1. 矩形状の第1導電型半導体基板に設けられた、主電流の流れる素子活性部と、
    直線部と当該直線部を曲線状に連結するコーナー部とを有し、前記素子活性部を囲む耐圧構造部と、
    前記第1導電型半導体基板の表面層に、前記耐圧構造部の前記直線部から前記コーナー部に亘って設けられた第2導電型のガードリングと、
    前記ガードリングの表面に絶縁膜を介して設けられ、当該ガードリングの内周側と外周側とに分離して配置される環状のポリシリコンフィールドプレートと、
    内周側の前記ポリシリコンフィールドプレートと外周側の前記ポリシリコンフィールドプレートとの間の前記絶縁膜上に設けられ、前記ポリシリコンフィールドプレートどうしを相互に所定の間隔で連結する複数のポリシリコンブリッジと、
    前記絶縁膜、前記ポリシリコンフィールドプレート、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングの表面に設けられた層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜に設けられ、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングを選択的に露出するコンタクトホールと、
    前記コンタクトホールを介して前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングに接し、前記ポリシリコンブリッジと前記ガードリング表面とを相互に導電接続する金属膜フィールドプレートと、
    を備え、
    前記金属膜フィールドプレートは、前記耐圧構造部の前記コーナー部の前記ガードリング上と、前記耐圧構造部の前記直線部の少なくとも一つの前記ガードリング上とに設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ガードリングは環状に配置され、
    前記金属膜フィールドプレートが、少なくとも一つの前記ガードリングの全周に亘って設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ポリシリコンブリッジの幅が前記ガードリングの拡散深さの2倍よりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記ポリシリコンブリッジの幅が前記ガードリングの拡散深さの0.8倍よりも狭いことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記耐圧構造部の前記コーナー部および前記直線部に配置された部分上に前記金属膜フィールドプレートを有する前記ガードリングと、前記コーナー部に配置された部分上のみに前記金属膜フィールドプレートを有する前記ガードリングとが、前記素子活性部側から前記第1導電型半導体基板の外周部側へ向かう方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置。
  6. 矩形状の第1導電型半導体基板に設けられた、主電流の流れる素子活性部と、直線部と当該直線部を曲線状に連結するコーナー部とを有し、前記素子活性部を囲む耐圧構造部と、前記第1導電型半導体基板の表面層に、前記耐圧構造部の前記直線部から前記コーナー部に亘って設けられた第2導電型のガードリングと、前記ガードリングの表面に絶縁膜を介して設けられ、当該ガードリングの内周側と外周側とに分離して配置される環状のポリシリコンフィールドプレートと、内周側の前記ポリシリコンフィールドプレートと外周側の前記ポリシリコンフィールドプレートとの間の前記絶縁膜上に設けられ、前記ポリシリコンフィールドプレートどうしを相互に所定の間隔で連結する複数のポリシリコンブリッジと、前記絶縁膜、前記ポリシリコンフィールドプレート、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングの表面に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に設けられ、前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングを選択的に露出するコンタクトホールと、前記コンタクトホールを介して前記ポリシリコンブリッジおよび前記ガードリングに接し、前記ポリシリコンブリッジと前記ガードリング表面とを相互に導電接続する金属膜フィールドプレートと、を備え、前記金属膜フィールドプレートは、前記耐圧構造部の前記コーナー部の前記ガードリング上と、前記耐圧構造部の前記直線部の少なくとも一つの前記ガードリング上とに設けられている半導体装置の製造方法であって、
    前記第1導電型半導体基板の表面に、前記素子活性部を囲む環状の複数の前記ポリシリコンフィールドプレートを形成する工程と、
    前記ポリシリコンフィールドプレートをマスクとして、前記ポリシリコンフィールドプレートに挟まれた部分に露出する前記第1導電型半導体基板に第2導電型不純物をイオン注入することで前記ガードリングを形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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