JP6575398B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体用のダイオード構造を有する半導体装置に関する。
パワー半導体用のダイオードでは、縦方向に大電流を流すため、メインセル領域のコンタクトホールを厚いAlSi電極で埋め込んでいる。また、終端構造はFLR(Field Limiting Ring)構造を採用しており、GR(Guard Ring)と各FLR(Field Limiting Ring)にFP(Field Plate)電極を形成し、空乏層を伸びやすくしている(例えば、特許文献1参照)。更に、電位を安定させるため、半絶縁性の保護膜が終端領域全面に形成されている。
近年、メインセル領域に電流を流す領域の接合方法が、WB(Wire Bonding)からDLB(Direct Lead Bonding)に変化してきている。このため、メイン電極の上に半田付けをするための電極が形成されることが増えてきている。
特開平09−023016号公報
近年、パワー半導体においても、無効領域を縮小するために、終端領域を微細化する必要性が出てきている。しかし、電極の膜厚が厚いため、微細パターンを形成できない。また、微細で高段差の高アスペクトなパターンを形成できても、外部のパッケージからの応力により電極倒れ又は電極段差部での保護膜のクラックが発生し、信頼性が劣化する。一方、メインセル領域の電極を薄くし過ぎると、局所的な電流集中による破壊、コンタクト端部のカバレッジが悪くなることによる断線、及び外部電極を半田付けするための電極を形成する際にSi基板にダメージが入る。よって、高信頼性を実現できないという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高信頼性を実現することができる半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、主面を有する半導体基板と、メインセル領域において前記主面に形成された第1の拡散領域と、前記メインセル領域の外側の終端領域において前記主面に形成された第2の拡散領域と、前記主面上に形成され、前記第1及び第2の拡散領域上にそれぞれ第1及び第2のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、前記第1のコンタクトホール内に形成され、前記第1の拡散領域に接続された第1の電極と、前記第2のコンタクトホール内に形成され、前記第2の拡散領域に接続された第2の電極と、前記第2の電極を覆う半絶縁性膜と、半絶縁性膜上に形成された第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜を覆うポリイミドと、前記第1の電極上に形成された第3の電極とを備え、第1及び第2の電極は同じ材質であり、第1のコンタクトホールにおける第1の電極の厚みは第1のコンタクトホールの深さより薄く、第1のコンタクトホールにおける第1の電極の厚み及び前記第3の電極の厚みの合計は第1のコンタクトホールの深さより厚く、第2のコンタクトホールにおける第2の電極の厚みは第2のコンタクトホールの深さより厚いことを特徴とする。
本発明では、第1のコンタクトホールにおける第1の電極の厚みは第1のコンタクトホールの深さより薄く、第1のコンタクトホールにおける第1の電極の厚み及び前記第3の電極の厚みの合計は第1のコンタクトホールの深さより厚く、第2のコンタクトホールにおける第2の電極の厚みは第2のコンタクトホールの深さより厚い。このため、同じ材質である第1及び第2の電極を同時に形成した場合に終端領域の電極の段差が低減され、電極倒れ及び電極段差部での保護膜のクラックの発生を抑制できる。また、第3の電極が第1のコンタクトホールを完全に埋め込むため、電流集中も起こらない。よって、高信頼性を実現できる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。メインセル領域においてSi基板1の主面にp型アノード領域2が形成され、メインセル領域の外側の終端領域においてSi基板1の主面に複数のp型リング領域3及びn型リング領域4が形成されている。SiO酸化膜5及びTEOS酸化膜6がSi基板1の主面上に形成されている。SiO酸化膜5及びTEOS酸化膜6は、p型アノード領域2及びp型リング領域3上にそれぞれ第1及び第2のコンタクトホール7,8を有する。
AlSi電極9が、第1のコンタクトホール7内に形成され、p型アノード領域2に接続されている。複数のAlSi電極10が、複数の第2のコンタクトホール8内にそれぞれ形成され、それぞれ複数のp型リング領域3に接続されている。保護膜としてSiN半絶縁性膜11及びSiN絶縁膜12が複数のAlSi電極10を覆っている。ポリイミド13が半田付け用電極形成部以外の全面を覆っている。外部電極を半田付けするための半田付け用電極としてNi電極14及びAu電極15がAlSi電極9上に順に形成されている。Si基板1の裏面にn型カソード層16が形成されている。
ここで、AlSi電極9,10は同じ材質であり同時に形成されている。ただし、AlSi電極9は第1のコンタクトホール7を完全には埋め込まないが、AlSi電極10は第2のコンタクトホール8を完全に埋め込む。即ち、第1のコンタクトホール7におけるAlSi電極9の厚みは第1のコンタクトホール7の深さよりも小さいが、第2のコンタクトホール8におけるAlSi電極10の厚みは第2のコンタクトホール8の深さよりも大きい。そして、Ni電極14は第1のコンタクトホール7を完全に埋め込む。即ち、第1のコンタクトホール7におけるAlSi電極9及びNi電極14の合計厚みは第1のコンタクトホール7の深さよりも大きい。
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、Si基板1上に厚さ3000Å〜10000ÅのSiO酸化膜5を熱形成し、写真製版とエッチングでパターン形成後、1E13〜1E16[1/cm]のボロン注入とドライブ(900℃〜1200℃:30min〜120min)を行い、メインセル領域と終端領域のp型アノード領域2及びp型リング領域3を同時に形成する。
次に、写真製版とエッチングでパターン形成後、1E14〜1E16[1/cm]のAs注入とドライブ(900℃〜1200℃:30min〜120min)を行い、終端領域の最外周のn型リング領域4を形成する。
次に、厚さ5000Å〜10000ÅのTEOS酸化膜6を堆積し、パターンニングして第1及び第2のコンタクトホール7,8を形成する。次に、AlSi膜をメインセル領域の第1のコンタクトホール7が完全には埋め込まれず、終端領域の第2のコンタクトホールが埋め込まれる厚みでスパッタ又は蒸着する。AlSi膜をパターンニングしてフィールドプレート(Field Plate)とAlSi電極9,10を形成する。
次に、保護膜として、2000Å〜10000Å/屈折率2.2〜2.7のSiN半絶縁性膜11と、2000Å〜10000Å/屈折率1.8〜2.2のSiN絶縁膜12とを順に成膜し、メインセル領域の保護膜を除去する。
次に、ポリイミド13を数μm全面塗布し、電極形成領域のみ除去する。次に、Si基板1を裏面から所望の厚みに研磨し、イオン注入(リン又はヒ素を1E13〜1E16[1/cm]注入し)と熱処理(Laser Annealなど)によりn型カソード層16を形成する。最後に、Ni電極14及びAu電極15をめっき又はスパッタ/蒸着で数μm形成する。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図2は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。比較例では、AlSi電極9,10が第1及び第2のコンタクトホール7,8を完全に埋め込むように厚く形成されている。このため、外部のパッケージからの応力により電極倒れ又は電極段差部での保護膜のクラックが発生し、信頼性が劣化する。
これに対して、本実施の形態では、AlSi電極9は第1のコンタクトホール7を完全には埋め込まず、AlSi電極10が第2のコンタクトホール8を完全に埋め込む。このため、同じ材質であるAlSi電極9,10を同時に形成した場合に終端領域の電極の段差が低減され、電極倒れ及び電極段差部での保護膜のクラックの発生を抑制できる。また、Ni電極14が第1のコンタクトホール7を完全に埋め込むため、電流集中も起こらない。よって、高信頼性を実現できる。
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態1とは異なり、AlSi電極10が第2のコンタクトホール8を完全には埋め込まず、SiNSiN半絶縁性膜11が第2のコンタクトホール8を完全に埋め込む。これにより、終端領域のコンタクトカバレッジが悪くなることで断線したとしても、SiN半絶縁性膜11で埋め込まれて同電位となる。このため、逆バイアス時の電位がFLRとFPで分担され、耐圧を安定化することができる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
なお、実施の形態1,2において、AlSi電極9,10の下にTiN又はTiWなどのバリアメタルを形成してもよい。これにより、外部電極を半田付けするための電極形成時のダメージを抑制し、リーク電流を低減することができる。また、AlSi電極9,10の代わりにTiN又はTiWなどのバリアメタルを形成してもよい。これにより、電極厚みを薄くすることができるため、微細化が可能となる。また、実施の形態1,2のpinダイオード構造は逆導電型の場合でも成立する。
また、Si基板1に限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体基板を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体モジュールも小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
1 Si基板(半導体基板)、2 p型アノード領域(第1の拡散領域)、3 p型リング領域(第2の拡散領域)、5 SiO酸化膜(絶縁膜)、6 TEOS酸化膜(絶縁膜)、7 第1のコンタクトホール、8 第2のコンタクトホール、9 AlSi電極(第1の電極)、10 AlSi電極(第2の電極)、11 SiN半絶縁性膜(半絶縁性膜)、14 Ni電極(第3の電極)

Claims (5)

  1. 主面を有する半導体基板と、
    メインセル領域において前記主面に形成された第1の拡散領域と、
    前記メインセル領域の外側の終端領域において前記主面に形成された第2の拡散領域と、
    前記主面上に形成され、前記第1及び第2の拡散領域上にそれぞれ第1及び第2のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、
    前記第1のコンタクトホール内に形成され、前記第1の拡散領域に接続された第1の電極と、
    前記第2のコンタクトホール内に形成され、前記第2の拡散領域に接続された第2の電極と、
    前記第2の電極を覆う半絶縁性膜と、
    前記半絶縁性膜上に形成された第2の絶縁膜と、
    前記第2の絶縁膜を覆うポリイミドと、
    前記第1の電極上に形成された第3の電極とを備え、
    第1及び第2の電極は同じ材質であり、
    前記第1のコンタクトホールにおける前記第1の電極の厚みは前記第1のコンタクトホールの深さより薄く、
    前記第1のコンタクトホールにおける前記第1の電極の厚み及び前記第3の電極の厚みの合計は前記第1のコンタクトホールの深さより厚く、
    前記第2のコンタクトホールにおける前記第2の電極の厚みは前記第2のコンタクトホールの深さより厚いことを特徴とする半導体装置。
  2. 主面を有する半導体基板と、
    メインセル領域において前記主面に形成された第1の拡散領域と、
    前記メインセル領域の外側の終端領域において前記主面に形成された第2の拡散領域と、
    前記主面上に形成され、前記第1及び第2の拡散領域上にそれぞれ第1及び第2のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、
    前記第1のコンタクトホール内に形成され、前記第1の拡散領域に接続された第1の電極と、
    前記第2のコンタクトホール内に形成され、前記第2の拡散領域に接続された第2の電極と、
    前記第2の電極を覆う半絶縁性膜と、
    前記半絶縁性膜上に形成された第2の絶縁膜と、
    前記第2の絶縁膜を覆うポリイミドと、
    前記第1の電極上に形成された第3の電極とを備え、
    第1及び第2の電極は同じ材質であり、
    前記第1のコンタクトホールにおける前記第1の電極の厚みは前記第1のコンタクトホールの深さより薄く、
    前記第1のコンタクトホールにおける前記第1の電極の厚み及び前記第3の電極の厚みの合計は前記第1のコンタクトホールの深さより厚く、
    前記第2のコンタクトホールにおける前記第2の電極の厚みは前記第2のコンタクトホールの深さより浅く、
    前記第2のコンタクトホールにおける前記第2の電極の厚み及び前記半絶縁性膜の厚みの合計は前記第1のコンタクトホールの深さより厚いことを特徴とする半導体装置。
  3. 前記第1及び第2の電極はAl系電極を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1及び第2の電極は、前記Al系電極の下に形成されたバリアメタルを更に有することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記第1及び第2の電極はバリアメタルであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
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