JP5720613B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置及びその製造方法に関する。

半導体装置においては、製造過程等において、半導体素子の表面保護膜を形成する封止樹脂等などに、Ｎａなどの軽金属、Ｃｕなどの重金属及びＣｌなどのハロゲンなどの可動イオンや負電荷が発生することがある。こうした可動イオン等が素子上部やその周辺に移動すると、素子やその外周の電界分布に影響を与えて電界集中を招くことがある。ＩＧＢＴなどの高耐圧素子にあっては、こうした電界集中によって高耐圧下での動作に障害が発生する場合も考えられる。

この種の問題に関して、導電性膜を介した電子のやりとりで可動イオンを中和して可動イオンによる耐電圧特性の変動を抑制することが開示されている（特許文献１）。導電性膜としては、金属又はカーボンの不連続薄膜が用いられている。

特開２００６−２２２２１０号公報

特許文献１には、導電性膜として好適な抵抗率を得るためには、不連続薄膜を０．１〜２ｎｍ程度の膜厚で成膜とすることが記載されている。しかしながら、このような薄膜を精度よく成膜して安定した抵抗率を確保し、可動イオンによる耐電圧特性の変動を抑制できる半導体装置を提供することは困難であった。

本明細書の開示は、簡易な構造で可動イオンによる耐電圧特性の変動を抑制できる半導体装置及びその製造方法を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板を備えている。半導体基板は、半導体素子が形成されているアクティブ領域と、アクティブ領域の外周にある電界緩和領域と、を備えている。さらに、電界緩和領域の少なくとも一部を被覆する、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を備えることができる。

本明細書において、絶縁体とは、電気抵抗率が１０^１４Ωｍ以上の物質を意味する。

この半導体装置は、電界緩和領域の少なくとも一部を被覆するように、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を備えている。この樹脂膜中の炭素材料粒子は、半導電性又は導電性である。こうした炭素材料粒子は、外部から絶縁性樹脂に付着する等によって生じる可動イオンを捕捉して上記樹脂膜内に分散させ、電界緩和領域における分極や電界集中を抑制できる。さらに、炭素材料粒子が相互接触等している場合には、生じた可動イオンや電荷を樹脂膜中を通過させて半導体装置外部（グランド）に流すことができる。以上のことから、上記樹脂膜は、炭素材料粒子を有することで、樹脂膜に付着した可動イオン等を捕捉し分散して、自ら可動イオン等の影響を抑制できるため、電界緩和領域の耐電圧特性を維持して半導体装置の耐電圧特性の変動を抑制できる。

また、上記樹脂膜の抵抗率はその組成により容易に調節できるため、半導体装置は、安定した耐電圧特性を発揮することができる。

上記樹脂膜は、さらにアクティブ領域の少なくとも一部を被覆していてもよい。こうすることで、アクティブ領域における可動イオン等による電界集中を抑制することができる。

上記樹脂膜を、電界緩和領域及びアクティブ領域を被覆する表面保護膜としてもよい。こうすることで、表面保護膜を別途形成することを省略でき、しかも従来の表面保護膜中の可動イオン等の影響を回避できる。さらに、パッシベーション膜の形成も省略できる。

炭素材料粒子は、半導電性であることが好ましい。こうすることで、可動イオン等の影響を抑制するのに適した導電特性を樹脂膜に付与できる。炭素材料粒子は、カーボンナノチューブであることが好ましい。こうすることで、良好な特性を樹脂膜に付与できる。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成されているアクティブ領域と、アクティブ領域の外周側に備えられる電界緩和領域と、を備える半導体基板の電界緩和領域の表面の少なくとも一部に対し、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を形成することを特徴とすることができる。

こうした半導体装置の製造方法では、炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を形成する。この樹脂膜は、炭素材料粒子が可動イオン等を捕捉し、あるいは外部に流出させて、その影響を抑制できる。可動イオン等の捕捉や流出させるための樹脂膜の導電性（抵抗率）は、樹脂膜の組成により調節できる。このため、上述の製造方法によれば、可動イオン等による耐電圧変動を抑制できる半導体装置を簡易に製造できる。

この製造方法においては、上記樹脂膜を、炭素材料粒子の濃度が前記表面側により高い傾斜組成を有するように形成することが好ましい。こうすることで、効果的に可動イオン等の影響を抑制できる。

半導体装置１０の縦断面図。 電界緩和領域５０上の樹脂膜６０の拡大断面図。 流動性樹脂組成物を供給して樹脂膜６０を形成する方法の説明図。 樹脂テープを貼り付けて樹脂膜６０を形成する方法の説明図。

図１に示す半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成されている電極、絶縁層等によって構成されている。半導体基板１２は、アクティブ領域２０と、電界緩和領域５０を有している。アクティブ領域２０には、ＩＧＢＴ（半導体素子の一例）が形成されている。アクティブ領域２０は、半導体基板１２を上面側から見たときに、半導体基板１２の略中央部に形成されている。電界緩和領域５０は、アクティブ領域２０の電界を緩和する領域であり、半導体基板１２の外周部に形成されている。より具体的には、半導体基板１２の外部端面（外周面）１２ａとアクティブ領域２０の間の領域である。したがって、半導体基板１２を上方から平面視した場合には、アクティブ領域２０は電界緩和領域５０に囲まれている。

アクティブ領域２０の上面にはトレンチが形成されている。トレンチの内面は、ゲート絶縁膜に覆われている。トレンチ内には、ゲート電極２８が形成されている。アクティブ領域２０の上面にはエミッタ電極２２が形成されている。半導体基板１２の下面には、コレクタ電極３４が形成されている。なお、半導体装置１０の上面側の電極（例えば、エミッタ電極２２、図示しないゲート電極パッド（各ゲート電極２８に接続されているパッド）、及び、その他の信号取出用電極）は、はんだ等のろう材や、ワイヤーボンディングや、導電性ペースト等によって、外部の導電部材に接続される。

アクティブ領域２０内には、ｎ型のエミッタ領域２４、ｐ型のボディ領域２６、ｎ型のドリフト領域３０、ｐ型のコレクタ領域３２が形成されている。エミッタ領域２４は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。エミッタ領域２４は、ゲート絶縁膜に接する範囲に形成されている。エミッタ領域２４は、エミッタ電極２２に対してオーミック接続されている。ボディ領域２６は、エミッタ領域２４の側方及びエミッタ領域２４の下側に形成されている。ボディ領域２６は、エミッタ領域２４の下側でゲート絶縁膜に接している。２つのエミッタ領域２４の間のボディ領域２６は、ｐ型不純物濃度が高く、エミッタ電極２２に対してオーミック接続されている。ドリフト領域３０は、ボディ領域２６の下側に形成されている。ドリフト領域３０は、ボディ領域２６によってエミッタ領域２４から分離されている。ドリフト領域３０は、トレンチの下端部のゲート絶縁膜と接している。コレクタ領域３２は、ドリフト領域３０の下側に形成されている。コレクタ領域３２は、ｐ型不純物濃度が高く、コレクタ電極３４に対してオーミック接続されている。上述した各電極及び各半導体領域によって、アクティブ領域２０内にＩＧＢＴが形成されている。

電界緩和領域５０内には、ディープｐ型領域５２、リサーフ領域５６、及び、端部ｎ型領域６２が形成されている。ディープｐ型領域５２は、アクティブ領域２０と電界緩和領域５０の境界に位置している。ディープｐ型領域５２は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。ディープｐ型領域５２は、ボディ領域２６と接している。ディープｐ型領域５２は、アクティブ領域２０内のゲート電極２８よりも深い深さまで形成されている。ディープｐ型領域５２は、高濃度にｐ型不純物を含有しており、ディープｐ型領域５２上に形成されている電極５４に対してオーミック接続されている。

リサーフ領域５６は、ディープｐ型領域５２に隣接している。リサーフ領域５６は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。リサーフ領域５６は、ディープｐ型領域５２よりも浅い深さに形成されている。リサーフ領域５６のｐ型不純物濃度は、ディープｐ型領域５２よりも低い。また、リサーフ領域５６のｐ型不純物濃度は、端部ｎ型領域６２のｎ型不純物濃度よりも低い。端部ｎ型領域６２は、半導体基板１２の端面１２ａに露出するとともに半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。端部ｎ型領域６２は、比較的高濃度にｎ型不純物を含有しており、端部ｎ型領域６２上に形成されている電極６４に対してオーミック接続されている。ディープｐ型領域５２、リサーフ領域５６、及び、端部ｎ型領域６２の下側には、上述したドリフト領域３０が形成されている。すなわち、ドリフト領域３０は、アクティブ領域２０から電界緩和領域５０まで広がっている。また、ドリフト領域３０は、リサーフ領域５６と端部ｎ型領域６２の間の範囲にも存在しており、その範囲内で半導体基板１２の上面に露出している。以下では、リサーフ領域５６と端部ｎ型領域６２の間のドリフト領域３０を、周辺ドリフト領域３０ａという。ドリフト領域３０のｎ型不純物濃度は、ディープｐ型領域５２のｐ型不純物濃度よりも低く、端部ｎ型領域６２のｎ型不純物濃度よりも低い。電界緩和領域５０内においても、ドリフト領域３０の下側にコレクタ領域３２が形成されている。

電界緩和領域５０の表面には、絶縁層５８が形成されている。絶縁層５８は、リサーフ領域５６と周辺ドリフト領域３０ａの上面に形成されている。

表面保護膜としての樹脂膜６０が、アクティブ領域２０の表面及び電界緩和領域５０に形成された絶縁層５８の表面を含む全体を被覆するように形成されている。すなわち、樹脂膜６０は、エミッタ電極２２、電極５４、６４と絶縁層５８を被覆するように形成されている。樹脂膜６０は、また、リサーフ領域５６と周辺ドリフト領域３０ａと端部ｎ型領域６２を被覆するように形成されている。

図２に示すように、樹脂膜６０は、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子であるカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含有している。より具体的には、例えば、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックスにカーボンナノチューブ６０ａがほぼ均一に分散した状態で含まれている。

図２に示すように、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックスにおいてカーボンナノチューブ６０ａは、樹脂膜６０が絶縁体としての所定の抵抗性を確保できる程度に含有され、かつ相互に接触しており、半導体基板１２の表面にほぼ沿う方向において連続した接触構造を有している。

次に、こうした半導体装置１０における作用について説明する。半導体装置１０の製造過程等において、外部から樹脂膜６０に付着した不純物により、樹脂膜６０内に、Ｎａ、Ｃｕ、Ｃｌ等の可動イオンや負電荷（以下、可動イオン等９０という。）が発生する。また、アクティブ領域２０に対して電圧が印加され、また一定の温度以上となると、樹脂膜６０において、可動イオン等９０が発生しうる。従来の半導体装置では、表面保護膜中を可動イオン等９０が半導体基板の表面近傍に移動し、これにより生じる電界によって、電界緩和領域５０内の電界が乱され、所望の耐電圧特性を発揮できない虞があった。

しかしながら、本実施例の半導体装置１０では、電界緩和領域５０の表面にカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む樹脂膜６０が形成されている。樹脂膜６０は、自ら樹脂膜６０内の可動イオン等９０の影響をキャンセルする機能を有している。すなわち、可動イオン等９０が樹脂膜６０の内部に発生しても、樹脂膜６０内でカーボンナノチューブ６０ａが可動イオン等９０を捕捉し、分散し、あるいはカーボンナノチューブ６０ａの接触構造により半導体装置１０の外部に流すことができる。また、電界緩和領域５０の表面に可動イオン等９０が付着したとしても、同様の効果によって可動イオン等９０による影響を抑制できる。この結果、可動イオン等９０による電界緩和領域５０における耐電圧特性の変動を抑制できる。

また、半導体装置１０では、樹脂膜６０がアクティブ領域２０上にも形成されている。したがって、電界緩和領域５０における樹脂膜６０と同様の可動イオン等９０の影響のキャンセル機能によりアクティブ領域２０における可動イオン等９０の影響を抑制できる。

以上説明したように、半導体装置１０によれば、樹脂膜６０を設けることにより、可動イオン等９０に起因して生じる電界が電界緩和領域５０及びアクティブ領域２０の電界に影響を及ぼすことが抑制される。この結果、可動イオン等９０による耐電圧特性の変動を抑制できる。

半導体装置１０によれば、また、樹脂膜６０の導電性はカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとの組成により調節することができ、従来のようにｎｍレベルの膜厚などに依存しない。したがって、所望の導電性を容易に付与して可動イオン等９０の影響抑制効果を発揮させることができる。

さらに、半導体装置１０によれは、カーボンナノチューブ６０ａは、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子であるため、温度による抵抗率変動が小さく、その分子間力により相互接触構造をとりやすくなっている。このため、温度による耐電圧特性の変動も抑制できるなど、所望の導電特性の樹脂膜６０を容易に構成できる。

半導体装置１０によれば、カーボンナノチューブ６０ａなどこの種の炭素材料粒子は、熱伝導性、機械的強度、耐熱性にも優れている。このため、樹脂膜６０は、表面保護膜として有用な機能を備えることができる。また、従来、表面保護膜として用いられていた絶縁性樹脂の機能をカーボンナノチューブ６０ａにより少なくとも一部代替できるため、絶縁性樹脂の選択自由度が増大し、より安価なレジスト用樹脂を樹脂膜６０に用いることができるようになる。

半導体装置１０の樹脂膜６０は、絶縁性樹脂６０ｂをマトリックスとするため、表面保護膜としての機能、パッシベーション膜としての機能も併せ有することができる。したがって、半導体装置１０は、表面保護膜やパッシベーション膜を省略することができ、簡易な構成であっても耐電圧特性の変動の抑制に優れている。

半導体装置１０においては、電界緩和領域５０内の耐電圧特性を向上できるため、本実施例の構造によれば、従来よりも電界緩和領域の幅を狭くしても、十分な耐電圧特性を確保することができる。したがって、半導体装置１０によれば、より小型な半導体装置を提供することができる。

（半導体装置の製造方法）
次に半導体装置１０の製造方法について図３及び図４を参照して説明する。樹脂膜６０以外の半導体装置１０の構造は、従来公知の方法で形成することができる。したがって、ここでは、樹脂膜６０の形成方法についてのみ説明する。

樹脂膜６０を形成する方法として、例えば、カーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む流動性の組成物を塗布する方法と、樹脂テープを貼り付ける方法とが考えられる。

図３に示すように、流動性樹脂組成物を塗布する方法では、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０上に、流動性樹脂組成物８０を塗布などして供給する。流動性樹脂組成物８０は、絶縁性樹脂６０ｂを適当な溶剤や媒体に溶解又は分散し、さらにカーボンナノチューブ６０ａを分散させることで得ることができる。流動性樹脂組成物８０においては、絶縁性樹脂６０ｂと炭素材料粒子６０ａとは、所望の導電性が得られる程度に配合されている。

アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０上に流動性樹脂組成物８０を供給したら、必要に応じて加熱等して流動性樹脂組成物８０を乾燥ないし硬化させる。乾燥ないし硬化により、図１に示す樹脂膜６０が形成される。

また、樹脂テープを貼り付ける方法は、図４に示すように、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０上に、カーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む樹脂テープ８４を貼り付ける。樹脂テープ８２は、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックス中カーボンナノチューブ６０ａが相互に接触して分散された構成を有している。

以上に説明した何れの方法でも、樹脂膜６０を簡単に形成することができる。本製造方法によれば、カーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む樹脂膜６０を形成するという簡易なプロセスで、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０における可動イオン等９０の影響を排除できる。

さらに、樹脂膜６０はカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含んでおり、表面保護膜やパッシベーション膜の代替層になりうるため、従来の積層構造よりも簡易に、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０における可動イオン等９０の影響を抑制した半導体装置１０を製造できる。

また、樹脂膜６０の導電性等は、樹脂膜６０の組成で調節できるため、高い精度の膜厚制御も回避でき、再現性よく、可動イオン等９０の影響を抑制して耐電圧特性の変動が抑制された半導体装置１０を製造できる。

上述した実施形態の半導体装置１０においては、樹脂膜６０は、アクティブ領域２０と電界緩和領域５０の双方を被覆するように形成されていたが、電界緩和領域５０の表面の少なくとも一部を被覆するものであればよい。好ましくは、樹脂膜６０は、電界緩和領域５０の全体を被覆し、さらに好ましくは、アクティブ領域２０の一部又は全部に及ばせる。

半導体装置１０においては、アクティブ領域２０内にＩＧＢＴが形成されていたが、アクティブ領域２０内に他の半導体素子が形成されていてもよい。例えば、ＭＯＳＦＥＴやダイオード等が形成されていてもよい。

半導体装置１０においては、電界緩和領域５０内にリサーフ領域５６が形成されていたが、半導体基板に形成する電界緩和構造はリサーフ領域５６に限られない。例えば、リサーフ領域５６に替えて、あるいは追加してＦＬＲ構造、電界緩和を意図した厚みの絶縁膜、フィールドプレート構造，ＥＱＲ等の別の構造が形成されていてもよい。また、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０には、シールド効果を発揮する導電性膜を樹脂膜６０よりも半導体基板１２側に備えていてもよい。

半導体装置１０においては、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子として、カーボンナノチューブを用いたがこれに限定するものではない。炭素材料粒子としては、カーボンナノホーン、グラフェン及びフラーレン等が挙げられる。粒子の大きさは特に限定しないで適宜選択して用いられる。炭素材料粒子６０ａは、半導電性及び導電性のいずれかあるいはこれらの双方の電子状態を含むことができる。

絶縁性樹脂６０ｂは、各種の熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂から、絶縁性、耐熱性、機械的強度、熱伝導性等を考慮して１種又は２種以上が選択される。樹脂膜６０を表面保護膜と併用するときには、耐薬品性が高いことが好ましく、分子鎖が長いか及び／又は３次元架橋構造を備えるものが好ましい。また、絶縁性樹脂６０ｂは、カーボンナノチューブなどの炭素材料粒子の添加効果を考慮すると、非晶質性樹脂が好ましい。

絶縁性樹脂６０ｂとしては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、非晶質樹脂のいずれもを用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂及びウレタン樹脂が好ましく用いられる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリアミドイミド及びポリイミドも好ましく用いられる。また、非晶質樹脂としては、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド及びポリアミドイミドが好ましく用いられる。

半導体装置１０においては、樹脂膜６０は、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックスに均一にカーボンナノチューブ６０ａが分散されていたが、半導体基板１２側に、カーボンナノチューブ６０ａなどの炭素材料粒子の濃度が増大する傾斜組成であってもよい。こうした組成であると、電界緩和領域５０等の表面近傍において効果的に可動イオン等９０の影響を抑制できる。炭素材料粒子は、基板１２側に局在していてもよい。

こうした絶縁性樹脂６０ｂにおける炭素材料粒子６０ａの配合形態は、容易に調節できる。例えば、流動性樹脂組成物８０を供給して樹脂膜６０を形成する場合には、炭素材料粒子６０ａの含有量が多い（濃度が大きい）流動性樹脂組成物を塗布し、その後、より含有量の少ない流動性樹脂組成物を塗布等により供給してもよい。また、炭素材料粒子６０ａが絶縁性樹脂６０ｂ中を重力等で沈降するような組成の流動性樹脂組成物を準備し、かかる流動性樹脂組成物を塗布して、一定時間放置することで、炭素材料粒子６０ａを半導体基板１２側に高濃度に存在させることができる。

また、樹脂テープ８２で樹脂膜６０を形成する場合には、炭素材料粒子の含有量の異なる樹脂テープを濃度の高い順に積層してもよいし、予め傾斜組成を有する樹脂テープ８２を用いてもよい。

上述した半導体装置は、絶縁性樹脂が非晶質性樹脂から選択されることが好ましい。この非晶質性樹脂は、炭素材料粒子の分散が良好であり、炭素材料粒子による導電性、機械的強度、熱伝導性及び耐熱性の調整が容易である。表面保護膜には所望の各種特性が安定的に付与されているため、安定した耐電圧特性を発揮する半導体装置となっている。

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、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ 半導体装置、１２ 半導体基板、１２ａ 端面、２２ エミッタ電極、５４、６４ 電極、２４ エミッタ領域、２６ ボディ領域、２８ ゲート電極、３０ ドリフト領域、５２ ディープｐ型領域、５６ リサーフ領域、６０ 樹脂膜、６０ａ カーボンナノチューブ、６０ｂ 絶縁性樹脂、８０ 流動性樹脂組成物、８２ 樹脂テープ、９０ 可動イオン等

Claims (7)

1. 半導体装置であって、
   半導体素子が形成されているアクティブ領域と、
   前記アクティブ領域の外周側に備えられる電界緩和領域と、
   前記電界緩和領域の少なくとも一部を被覆する、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜と、
   を備える、半導体装置。
2. 前記樹脂膜は、さらに、前記アクティブ領域の少なくとも一部を被覆する、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記樹脂膜は、前記電界緩和領域及び前記アクティブ領域を被覆する表面保護膜である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記炭素材料粒子は、半導電性である、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記炭素材料粒子は、カーボンナノチューブである、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体素子が形成されているアクティブ領域と、前記アクティブ領域の外周側に備えられる電界緩和領域と、を備える半導体基板の前記電界緩和領域の表面に対し、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を形成する工程、
   を備える、製造方法。
7. 前記樹脂膜形成工程は、前記樹脂膜を、前記炭素材料粒子の濃度が前記表面側により高い傾斜組成を有するように形成する工程である、請求項６に記載の製造方法。