JP7052476B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、装置表面に保護膜が設けられた半導体装置に関する。
半導体装置の保護を目的として、装置表面に無機材料又は有機材料からなる保護膜が設けられる。無機保護膜としてシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜が用いられている。特に、シリコン窒化膜は、水分に対する透過性が小さいため、外部からの水分の侵入を防止する最表面の保護膜として用いられている。
半導体パッケージに対して高温高湿環境を模擬したＴＨＢ試験（Temperature Humidity Bias Test）を行った場合、水分の侵入によりデバイス不良となることがある。パッケージ内に水分が侵入すると、水分は封止材中を拡散し半導体装置に到達することがある。この水分は装置端部から装置内部に侵入し、アルミニウム電極が腐食し、デバイス不良となる場合があった。ガードリングのアルミニウム電極に腐食が発生すると、耐圧が保持できなくなりリーク不良及び耐圧不良に至る。これに対して、半導体基板の表面に保護膜としてシリコン酸化膜とシリコン窒化膜を積層した半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第４７１０２２４号公報
従来技術では、装置表面から装置内部への垂直方向の水分の浸入を防ぐことができる。しかし、装置端部からシリコン酸化膜を通って又はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の界面を通って装置内部に向かう水平方向の水分の浸入を防ぐことはできなかった。
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、その目的は装置端部から装置内部への水分の浸入を防ぐことができる半導体装置を得るものである。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、デバイスが設けられたセル領域と、セル領域の周囲に設けられた終端領域と、終端領域の外側に設けられたダイシング領域とを有する半導体基板と、終端領域において半導体基板の上に設けられ、複数の開口を有する第１の絶縁膜と、開口を介して半導体基板に接続された複数の金属電極と、第１の絶縁膜及び複数の金属電極を覆い、第１の絶縁膜よりも吸湿率の低い第２の絶縁膜とを備え、最外周の金属電極より外側からダイシング領域までの領域に、開口を有する第１の絶縁膜、及び第１の絶縁膜の開口内に配置され、半導体基板に接する第２の絶縁膜が設けられ、最外周の金属電極より外側の領域の第２の絶縁膜の端部からダイシング領域内に、第１の絶縁膜が設けられている。
また、本発明の他の一態様に係る半導体装置は、デバイスが設けられたセル領域と、前記セル領域の周囲に設けられた終端領域とを有する半導体基板と、前記終端領域において前記半導体基板の上に設けられ、複数の開口を有する第１の絶縁膜と、前記終端領域に設けられ、前記複数の開口を介して前記半導体基板に接続された複数の金属電極と、前記複数の金属電極のうち少なくとも最外周の電極に対応する前記開口の側壁に設けられ、前記第１の絶縁膜よりも吸湿率の低い第２の絶縁膜とを備える。
また、本発明の他の一態様に係る半導体装置は、デバイスが設けられたセル領域と、前記セル領域の周囲に設けられた終端領域とを有する半導体基板と、前記終端領域において前記半導体基板の上に設けられ、複数の開口を有する第１の絶縁膜と、前記終端領域に設けられ、前記複数の開口を介して前記半導体基板に接続された複数の金属電極と、前記第１の絶縁膜及び前記複数の金属電極を覆い、前記第１の絶縁膜よりも吸湿率の低い第２の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜よりも吸湿率が高い第３の絶縁膜とを備え、前記第３の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜の上に設けられた第１の部分と、前記複数の金属電極のうち最外周の電極から前記半導体基板の端部までの領域に設けられ、前記第１の部分とは分離され、前記第１の絶縁膜に前記第２の絶縁膜を介さずに直接的に接する第２の部分とを有することを特徴とする。
本発明では、最外周の電極から半導体基板の端部までの領域において、吸湿率の低い第２の絶縁膜が半導体基板に直接的に接している。これにより、装置端部から装置内部への水分の浸入を防ぐことができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。 図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例１を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例２を示す断面図である。 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２に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。
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、実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。半導体基板１は、デバイスが設けられたセル領域２と、セル領域２の周囲に設けられた終端領域３とを有する。デバイスはｐｉｎダイオードであるが、これに限定されずＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）でもよい。セル領域２にはデバイスのオン状態に主電流が流れる。終端領域３は、オン状態には電流が流れず、オフ状態の逆バイアス印加時に空乏層をデバイス横方向に延ばして耐圧を保持する。
図２は図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。セル領域２においてｎ－型の半導体基板１の表面にｐ型アノード層４が設けられている。終端領域３において半導体基板１の表面に複数のｐ型ガードリング層５が設けられ、ｐ型ガードリング層５よりも外側で半導体基板１の表面にｎ型チャネルストッパ層６が設けられている。
絶縁膜７が半導体基板１の上に設けられている。絶縁膜７は例えばシリコン酸化膜であり、熱酸化、ＣＶＤ又は塗布により形成される。また、絶縁膜７は、ＢＰＳＧ又はＰＳＧといったＢ又はＰ等が添加されたシリコン酸化膜であってもよい。
絶縁膜７にはリソグラフィー及びエッチングにより複数の開口８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが設けられている。開口８ａはｐ型アノード層４上に設けられ、開口８ｂはｐ型ガードリング層５上に設けられ、開口８ｃ，８ｄはｎ型チャネルストッパ層６上に設けられている。開口８ｄは、開口８ｃの外側に配置され、開口８ｃをリング状に囲んでいる。
アノード電極９が開口８ａを介してｐ型アノード層４に接続されている。ガードリング電極１０が開口８ｂを介してｐ型ガードリング層５に接続されている。チャネルストッパ電極１１が開口８ｃを介してｎ型チャネルストッパ層６に接続されている。このチャネルストッパ電極１１は、基板表面に形成された複数の電極のうち最外周の電極である。
アノード電極９、ガードリング電極１０及びチャネルストッパ電極１１はアルミニウムからなる。例えば、スパッタリング法等でアルミニウム膜を成膜した後、リソグラフィー及びエッチングによりこれらの電極に加工する。なお、電極構造は、アルミニウム単体でもよく、アルミニウムにバリアメタル材料を積層してもよい。
デバイスのオフ状態にはｐ型ガードリング層５の下のｎ－型ドリフト層内部に左右方向に延びる空乏層が設けられる。また、ｐ型ガードリング層５に接続されたガードリング電極１０により終端領域３の電位を安定化できるため、半導体装置の耐圧低下を抑制することができる。
絶縁膜７よりも吸湿率の低い絶縁膜１２が絶縁膜７、アノード電極９、ガードリング電極１０及びチャネルストッパ電極１１を覆っている。絶縁膜１２は最表面のパッシベーション膜であり、例えばシリコン窒化膜からなる。最外周のチャネルストッパ電極１１から半導体基板１の端部までの領域において絶縁膜１２は開口８ｄを介して半導体基板１に直接的に接している。
アノード電極９を外部と電気的に接続するため、絶縁膜７と同様にリソグラフィー及びエッチングによりアノード電極９の上方において絶縁膜１２に開口が設けられている。なお、最表面にポリイミド（ＰＩ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）等の有機保護膜を設けてもよい。その場合、絶縁膜１２と同様にアノード電極９の上方において開口を設ける。有機保護膜により封止樹脂中のフィラーによるチップへのダメージを防止することができる。
ウエハをダイシングでチップに分離する際に、ダイシング時のクラックの装置内部への伝搬とダイサーの目詰まりを防止する必要がある。そこで、ダイシング領域となる半導体基板１の最外周部分にはシリコン窒化膜、金属膜、ポリイミドを形成しない。ただし、ドライエッチング時に半導体基板１の表面がたたかれないようにシリコン酸化膜である絶縁膜７だけは形成される。半導体基板１の裏面全面にｎ型カソード層１３が設けられている。ｎ型カソード層１３にカソード電極１４が接続されている。
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３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、絶縁膜１２が半導体基板１に接していない。このため、装置端部から絶縁膜７を通って又は絶縁膜７と絶縁膜１２の界面を通って装置内部に水分が浸入する。この結果、装置内部のアルミニウム電極が腐食することで機能不全となりやすい。
これに対して、本実施の形態では、最外周のチャネルストッパ電極１１から半導体基板１の端部までの領域において、吸湿率の低い絶縁膜１２が半導体基板１に直接的に接している。絶縁膜７が分割され、それらの間に吸湿率の低い絶縁膜１２が配置されることで、装置端部から装置内部への水分の浸入を防ぐことができる。この結果、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、終端領域３における絶縁膜７の開口数を変更するだけで吸湿耐性を改善できるため、工程の追加が発生せず、製造コストが増加しない。
図４は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例１を示す断面図である。最外周のチャネルストッパ電極１１から半導体基板１の端部までの領域において絶縁膜７に開口８ｃ，８ｄをひとまとめにして広く設け、開口８ｃ，８ｄを吸湿性の低い絶縁膜１２で覆っている。これにより更に吸湿耐性を改善することができる。ただし、ダイシングラインに対応する半導体基板１の端部に絶縁膜７を残している。
図５は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例２を示す断面図である。ポリイミド等の有機絶縁膜からなる第３の絶縁膜１５が絶縁膜１２の上に形成されている。この場合でも同様に開口８ｄでの水分ブロック耐性を改善することができる。
実施の形態２．
図６は、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では絶縁膜１２が半導体基板１に接していたが、本実施の形態では絶縁膜１６が開口８ａ，８ｂ，８ｃの側壁に設けられている。絶縁膜１６は例えばシリコン窒化膜であり、絶縁膜７よりも吸湿率が低い。
製造方法としては、まず、絶縁膜７に開口８ａ，８ｂ，８ｃを形成した後にＣＶＤにより全面に絶縁膜１６を形成する。次に、エッチバック法により絶縁膜７上及び開口８ａ，８ｂ，８ｃの底面に成膜された絶縁膜１６を除去する。これにより、開口８ａ，８ｂ，８ｃの側壁にのみ絶縁膜１６を残すことができる。
なお、絶縁膜７の全ての開口の側壁に絶縁膜１６が設けられている。ただし、これに限らず、最外周の開口８ｃの側壁のみに絶縁膜１６を設けても装置端部から装置内部への水分の浸入を防ぐことができる。この場合は全ての開口に絶縁膜１６を形成した後に、最外周の開口８ｃのみマスクをかけて等方性エッチングを行えばよい。また、開口の寸法が大きい場合には開口の側壁に絶縁膜１６を設けても、半導体基板１と金属電極との間で導通不良にはならない。
図７は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。チャネルストッパ電極１１と半導体基板１を接続するための開口８ｃを複数設けている。この複数の開口８ｃの側壁に吸湿率の低い絶縁膜１６を設けることで、装置内部への水分の浸入を更に抑制することができる。
実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態１では絶縁膜１２が半導体基板１に接していたが、本実施の形態では絶縁膜７，１２の上に絶縁膜１７が設けられている。アノード電極９を外部と電気的に接続するため、絶縁膜１２と同様にアノード電極９の上方において絶縁膜１７に開口が設けられている。
絶縁膜１７は、チップ保護の目的で一般的に用いられるポリイミド等の有機材料からなり、絶縁膜７よりも吸湿率が高い。このため、絶縁膜７の水分は絶縁膜１７に吸湿される。また、絶縁膜１７は、互いに分離された第１の部分１７ａと第２の部分１７ｂを有する。第１の部分１７ａは絶縁膜１２の上に設けられている。第２の部分１７ｂは、最外周のチャネルストッパ電極１１から半導体基板１の端部までの領域に設けられ、絶縁膜７に絶縁膜１２を介さずに直接的に接する。従って、絶縁膜７内又は絶縁膜７，１２の界面を通って装置内部に水分が伝播するのを抑えることができる。また、絶縁膜１７を分割することで、絶縁膜１７を通って装置内部に水分が伝播するのを抑制することができる。
なお、半導体基板１は、珪素によって設けられたものに限らず、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ものでもよい。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半導体装置は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体装置を用いることで、この半導体装置を組み込んだ半導体モジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体装置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、半導体装置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 半導体基板、２ セル領域、３ 終端領域、５ ｐ型ガードリング層、６ ｎ型チャネルストッパ層、７ 絶縁膜（第１の絶縁膜）、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 開口、１０ ガードリング電極（金属電極）、１１ チャネルストッパ電極（金属電極）、１２ 絶縁膜（第２の絶縁膜）、１６ 絶縁膜（第２の絶縁膜）、１７ 絶縁膜（第３の絶縁膜）、１７ａ 第１の部分、１７ｂ 第２の部分

Claims (5)

  1. デバイスが設けられたセル領域と、前記セル領域の周囲に設けられた終端領域と、前記終端領域の外側に設けられたダイシング領域とを有する半導体基板と、
    前記終端領域において前記半導体基板の上に設けられ、複数の開口を有する第１の絶縁膜と、
    前記開口を介して前記半導体基板に接続された複数の金属電極と、
    前記第１の絶縁膜及び前記複数の金属電極を覆い、前記第１の絶縁膜よりも吸湿率の低い第２の絶縁膜とを備え、
    最外周の前記金属電極より外側から前記ダイシング領域までの領域に、前記開口を有する前記第１の絶縁膜、及び前記第１の絶縁膜の前記開口内に配置され、前記半導体基板に接する前記第２の絶縁膜が設けられ、
    前記最外周の前記金属電極より外側の領域の前記第２の絶縁膜の端部から前記ダイシング領域内に、前記第１の絶縁膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. デバイスが設けられたセル領域と、前記セル領域の周囲に設けられた終端領域とを有する半導体基板と、
    前記終端領域において前記半導体基板の上に設けられ、複数の開口を有する第１の絶縁膜と、
    前記終端領域に設けられ、前記複数の開口を介して前記半導体基板に接続された複数の金属電極と、
    前記複数の金属電極のうち少なくとも最外周の電極に対応する前記開口の側壁に設けられ、前記第１の絶縁膜よりも吸湿率の低い第２の絶縁膜とを備えることを特徴とする半導体装置。
  3. デバイスが設けられたセル領域と、前記セル領域の周囲に設けられた終端領域とを有する半導体基板と、
    前記終端領域において前記半導体基板の上に設けられ、複数の開口を有する第１の絶縁膜と、
    前記終端領域に設けられ、前記複数の開口を介して前記半導体基板に接続された複数の金属電極と、
    前記第１の絶縁膜及び前記複数の金属電極を覆い、前記第１の絶縁膜よりも吸湿率の低い第２の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜よりも吸湿率が高い第３の絶縁膜とを備え、
    前記第３の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜の上に設けられた第１の部分と、前記複数の金属電極のうち最外周の電極から前記半導体基板の端部までの領域に設けられ、前記第１の部分とは分離され、前記第１の絶縁膜に前記第２の絶縁膜を介さずに直接的に接する第２の部分とを有することを特徴とする半導体装置。
  4. 前記終端領域において前記半導体基板の表面にｐ型ガードリング層が設けられ、前記ｐ型ガードリング層よりも外側で前記半導体基板の表面にｎ型チャネルストッパ層が設けられ、
    前記複数の金属電極は、前記ｐ型ガードリング層に接続されたガードリング電極と、前記最外周の電極であり前記ｎ型チャネルストッパ層に接続されたチャネルストッパ電極とを有することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体基板はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体装置。
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