WO2016170836A1 - 半導体装置 - Google Patents

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保幸 星
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富士電機株式会社
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    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/0601—Structure
    • H01L2224/0603—Bonding areas having different sizes, e.g. different heights or widths

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device.
  • a barrier metal layer has been provided in order to prevent corrosion of an interlayer insulating film caused by aluminum (Al) in a source electrode and short circuit between a gate electrode and a source electrode formed of polysilicon.
  • a barrier metal layer is provided between the anode electrode having Al and the cathode electrode having Al and the polysilicon layer (see, for example, Patent Document 1).
  • a temperature element monitor using an npn bipolar structure is known in a semiconductor device formed of silicon carbide (SiC) (see, for example, Patent Document 2).
  • the source electrode After forming the source electrode having Al, the source electrode is sintered at about 400 ° C. In the sintering process, hydrogen contained in Al enters the semiconductor device. Since hydrogen has a reducing action, oxygen in the semiconductor device is extracted by hydrogen, and the properties of an insulating film such as silicon dioxide used as a gate insulating film may change. This causes a problem that the gate voltage threshold (Vth) of the gate structure shifts. In view of this, a structure of a semiconductor device that prevents hydrogen from entering the semiconductor device is provided.
  • the second titanium layer may have a greater thickness than the first titanium layer.
  • Each of the first titanium layer and the second titanium layer may have a thickness smaller than any of the first titanium nitride layer and the second titanium nitride layer.
  • Each thickness of the first titanium layer and the second titanium layer is 10 nm to 50 nm, and each thickness of the first titanium nitride layer and the second titanium nitride layer is 50 nm to 200 nm. Good.
  • the semiconductor device may further include an active region having a gate structure and an element region that is a region different from the active region and includes a semiconductor element provided on the surface side of the semiconductor substrate.
  • the barrier layer may be provided between the electrode containing aluminum and the semiconductor element.
  • the semiconductor element may be a pn junction diode, and the electrode containing aluminum may be an electrode electrically connected to the pn junction diode.
  • the element region may further include an insulating film on the surface side of the semiconductor element.
  • the barrier layer may also be provided on the surface side of the insulating film provided to extend from the active region to the element region.
  • the insulating film may have a contact hole for electrically connecting the semiconductor element and the electrode containing aluminum, and the barrier layer may be provided also on the side wall of the contact hole.
  • the barrier layer may be provided in a region wider than the element region.
  • the gate structure of the active region may include a gate electrode and a barrier layer provided on the surface side of the gate electrode.
  • the edge of the active region on the element region side of the barrier layer and the edge of the element region on the side of the active region of the barrier layer may be separated from each other by 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the semiconductor device may further include an interlayer insulating film between the electrode provided on the surface side of the gate electrode and the gate electrode.
  • the barrier layer may be provided between the electrode provided on the surface side of the gate electrode and the interlayer insulating film.
  • the semiconductor device may further include a breakdown voltage structure provided along the edge of the semiconductor substrate.
  • the barrier layer may be provided on the surface side of the breakdown voltage structure portion, and the barrier layer of the breakdown voltage structure portion may have a floating potential.
  • An electrode containing aluminum may not be provided on the surface side of the barrier layer of the pressure-resistant structure.
  • FIG. 6 is a diagram showing a step of forming a p-type well region 27, a p + -type contact region 28, and an n + -type source region 29.
  • FIG. 6 is a diagram showing a step of forming a gate insulating film 24, a gate electrode 25, and an interlayer insulating film 26.
  • FIG. 6 is a diagram showing a step of forming an insulating film 35 and a pn junction diode 32.
  • FIG. 6 is a diagram showing a step of forming an interlayer insulating film 36.
  • FIG. 4 is a diagram showing a stage of forming a barrier layer 40.
  • FIG. 6 is a diagram showing a stage of forming a source electrode 22, an electrode 31, a protective film 14, and a drain electrode 23. It is a figure which shows the active region 10 in 2nd Example. It is a figure which shows the active region 10 in 3rd Example. It is a figure which shows the active region 10 in 4th Example.
  • FIG. 1 is a diagram showing a plan view of a semiconductor device 100 in the first embodiment. That is, FIG. 1 shows a case where the semiconductor substrate 20 is viewed from above.
  • the semiconductor device 100 has a plane parallel to the xy plane.
  • the x direction and the y direction are directions perpendicular to each other, and the z direction is a direction perpendicular to the xy plane.
  • the front side means the z direction side of an object having a plane parallel to the xy plane
  • the back side means the ⁇ z direction side of the object.
  • a surface located between the front surface side and the back surface side of the object is referred to as a side surface of the object.
  • the semiconductor device 100 has a semiconductor substrate 20.
  • the semiconductor device 100 includes an active region 10, an element region 30, a breakdown voltage structure 50, a gate pad 70, a source pad 72, a wiring 73, a covering region 78, a cathode pad 74, and an anode pad 76 on the surface side of the semiconductor substrate 20.
  • the protective film 14 located on the most surface side of the semiconductor device 100 is omitted.
  • the protective film 14 described later is provided on the most surface side of the semiconductor device 100 except for the surface side of the gate pad 70, the source pad 72, the cathode pad 74, and the anode pad 76 that are electrically connected to external electrodes.
  • the active region 10 is a region having a gate structure 12 described later.
  • the active region 10 of this example is a vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), but may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the entire surface side of the active region 10 is covered with a barrier layer 40 described later. In FIG. 1, the portion where the barrier layer 40 is provided is shown with hatching.
  • the gate pad 70 is a part that provides electrical connection between a gate electrode described later and an external electrode of the semiconductor device 100.
  • the source pad 72 is a part that provides electrical connection between a source electrode described later and an electrode outside the semiconductor device 100.
  • the gate pad 70 and the source pad 72 of this example may be formed of a barrier layer 40 described later and an electrode containing Al provided on the surface side of the barrier layer 40.
  • the element region 30 is a region different from the active region 10.
  • the surface side of the element region 30 is covered with a barrier layer 40 described later.
  • the element region 30 may include a temperature measurement element that measures the temperature of the semiconductor device 100.
  • the cathode pad 74 and the anode pad 76 are portions electrically connected to the cathode and the anode of the temperature measuring element, respectively.
  • the cathode pad 74 provides an electrical connection between the cathode of the temperature measuring element and an external electrode
  • the anode pad 76 provides an electrical connection between the anode of the temperature measuring element and an external electrode.
  • the cathode pad 74 and the cathode of the element region 30 are electrically connected by a wiring 73. Further, the anode pad 76 and the anode of the element region 30 are electrically connected by a wiring 73.
  • the wiring 73 of this example is formed by a barrier layer 40 described later and an electrode containing Al provided on the surface side of the barrier layer 40.
  • the pressure resistant structure 50 is provided along the edge of the semiconductor substrate 20.
  • the surface side of the pressure resistant structure 50 is covered with a barrier layer 40 described later.
  • the breakdown voltage structure 50 includes a plurality of guard rings provided along the side of the end of the semiconductor substrate 20.
  • the guard ring described later extends a depletion layer generated in the active region 10 inside the semiconductor substrate 20 to the end of the semiconductor substrate 20. Thereby, electric field concentration in the depletion layer inside the semiconductor substrate 20 can be prevented. Therefore, the breakdown voltage of the semiconductor device 100 can be improved as compared with the case where the breakdown voltage structure 50 is not provided.
  • the covering region 78 is a region where a barrier layer 40 described later is provided on the surface side of the semiconductor substrate 20.
  • An insulating film such as an interlayer insulating film formed in the manufacturing process may be provided between the covering region 78 and the semiconductor substrate 20.
  • the covering region 78 is a region provided so as to cover as much as possible the surface side of the semiconductor substrate 20 where the active region 10 and the element region 30 are not provided.
  • the barrier layer 40 described later is provided in a region wider than the active region 10, the element region 30, and the like.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional view along AA ′ in FIG.
  • the AA ′ sectional view is a sectional view in which a region including the active region 10 and the device region 30 is cut along a yz plane.
  • the semiconductor device 100 of this example has a vertical MOSFET.
  • the semiconductor substrate 20 of this example is formed of SiC (silicon carbide), the semiconductor substrate 20 may be formed of GaN (gallium nitride) or Si (silicon).
  • the semiconductor substrate 20 of this example includes an n + type layer 16 and an n type drift layer 18 formed on the surface side of the n + type layer 16.
  • the n + type layer 16 may be an n + type SiC substrate
  • the n type drift layer 18 may be a SiC layer formed epitaxially on the surface side of the n + type SiC substrate.
  • a drain electrode 23 is provided on the back side of the semiconductor substrate 20.
  • the active region 10 has a plurality of gate structures 12.
  • the gate structure 12 of the active region 10 includes a gate insulating film 24, a gate electrode 25, an interlayer insulating film 26, a barrier layer 40, a source electrode 22, a drain electrode 23, a p-type well region 27, a p + -type contact region 28, and an n +.
  • a mold source region 29 is provided.
  • a gate insulating film 24, a gate electrode 25, and an interlayer insulating film 26 are provided in the order closer to the n-type drift layer 18.
  • the interlayer insulating film 26 is provided between the source electrode 22 and the gate electrode 25 provided on the surface side of the gate electrode 25.
  • the interlayer insulating film 26 is provided so as to surround the side surface of the gate electrode 25.
  • the source electrode 22 is an electrode including Al provided on the surface side of the semiconductor substrate 20.
  • Source electrode 22 is electrically connected to p + -type contact region 28 and n + -type source region 29 through barrier layer 40.
  • the barrier layer 40 is provided between the semiconductor substrate 20 and the source electrode 22. More specifically, the barrier layer 40 is provided between the source electrode 22 and the interlayer insulating film 26 on the entire surface side of the active region 10.
  • the barrier layer 40 includes a first titanium nitride layer 42, a first titanium layer 44, a second titanium nitride layer 46, and a second titanium layer 48 in order from the side closer to the semiconductor substrate 20.
  • the first titanium nitride layer 42 is a layer provided to prevent a reaction between the structure on the back surface side of the first titanium nitride layer 42 and the first titanium layer 44.
  • the first titanium layer 44 functions as a hydrogen barrier layer that blocks entry and exit of hydrogen.
  • the second titanium nitride layer 46 has a function of preventing reaction between the source electrode 22 containing Al provided on the surface side of the barrier layer 40 and the first titanium layer 44.
  • the second titanium layer 48 reacts with the source electrode 22 containing Al to form a Ti—Al layer having higher hardness than the single Al layer.
  • the second titanium layer 48 that has not reacted with Al of the source electrode 22 functions as a hydrogen barrier layer that blocks the entry and exit of hydrogen. Even if the Ti—Al layer is formed, the second titanium layer 48 may have a thickness larger than that of the first titanium layer 44 in order to ensure the hydrogen barrier function.
  • the thickness of the second titanium layer 48 includes the thickness of the Al—Ti alloy layer after the formation of the source electrode 22 containing Al.
  • Each of the first titanium layer 44 and the second titanium layer 48 may have a thickness smaller than any of the first titanium nitride layer 42 and the second titanium nitride layer 46. Since the titanium layer has a larger stress than the titanium nitride layer, the stress generated in the semiconductor device 100 can be suppressed by making the titanium layer thinner than the titanium nitride layer.
  • the thickness of each of the first titanium layer 44 and the second titanium layer 48 is not less than 10 nm and not more than 50 nm, and the thickness of each of the first titanium nitride layer 42 and the second titanium nitride layer 46 is 50 nm or more and 200 nm or less.
  • the lower limit of the thickness of the titanium layer and the titanium nitride layer may be a minimum thickness that does not cause step breakage at the stepped portion. Since the stress generated in the semiconductor device 100 increases as the titanium layer and the titanium nitride layer are thicker, the upper limit of the thickness of the titanium layer and the titanium nitride layer may be the maximum thickness for suppressing the stress generated in the semiconductor device 100. .
  • the element region 30 includes an insulating film 35 provided in contact with the surface side of the semiconductor substrate 20, a semiconductor element provided in contact with the insulating film 35, and an interlayer insulating film 36 on the surface side of the semiconductor element. Have The interlayer insulating film 36 is also in contact with the insulating film 35. The insulating film 35 and the interlayer insulating film 36 are provided extending from the active region 10 to the element region 30.
  • the semiconductor element of this example is a pn junction diode 32.
  • the pn junction diode 32 includes an n-type semiconductor region 33 and a p-type semiconductor region 34.
  • the n-type semiconductor region 33 may be n-type polysilicon, and the p-type semiconductor region 34 may be p-type polysilicon.
  • the n-type semiconductor region 33 and the p-type semiconductor region 34 may have NiSi (nickel silicide) at the connection interface with the barrier layer 40 in order to reduce the contact resistance.
  • the pn junction diode 32 is used to detect the degree of superheat of the semiconductor substrate 20.
  • a control IC that is electrically connected to the gate structure 12 of the active region 10 may be connected to the semiconductor device 100.
  • the control IC lowers the temperature of the semiconductor substrate 20 by reducing the operating frequency of the active region 10. Thereby, abnormal overheating of the semiconductor device 100 can be prevented.
  • the interlayer insulating film 36 has a contact hole 37.
  • a barrier layer 40 is provided in the contact hole 37.
  • the pn junction diode 32 and the electrode 31 containing Al are electrically connected through the barrier layer 40 in the contact hole 37.
  • the barrier layer 40 is also provided on the side wall 38 of the contact hole 37.
  • the barrier layer 40 is provided between the electrode 31 and the pn junction diode 32.
  • the barrier layer 40 in the element region 30 is manufactured in the same process as the barrier layer 40 in the active region 10. That is, the material of the barrier layer 40 in the element region 30 and the stacking order are the same as those of the barrier layer 40 in the active region 10.
  • the barrier layer 40 in the element region 30 has the same function as the barrier layer 40 in the active region 10.
  • the first titanium nitride layer 42 also has a function of preventing a reaction between the NiSi layer and the first titanium layer 44 on the surface side of the n-type semiconductor region 33 and the p-type semiconductor region 34.
  • the barrier layer 40 is provided so as to cover the surface side of the pn junction diode 32.
  • the barrier layer 40 on the surface side of the n-type semiconductor region 33 In order to electrically isolate the barrier layer 40 connected to the n-type semiconductor region 33 (cathode) and the barrier layer 40 connected to the p-type semiconductor region 34 (anode), the barrier layer 40 on the surface side of the n-type semiconductor region 33.
  • a barrier layer 40 on the surface side of the p-type semiconductor region 34 is provided with a gap 39.
  • the length of the gap 39 in the y direction may be 10 ⁇ m.
  • the barrier layer 40 is provided as much as possible on the surface side of the element region 30 as long as the anode and the cathode are electrically separated. Thereby, the barrier layer 40 can block the entry and exit of hydrogen while suppressing the stress generated in the semiconductor device 100 while preventing disconnection of the titanium layer.
  • the electrode 31-1 is provided on the surface side of the barrier layer 40 connected to the n-type semiconductor region 33, and the electrode 31-2 is provided on the surface side of the barrier layer 40 connected to the p-type semiconductor region 34.
  • the electrode 31-1 is electrically connected to the cathode pad 74 of FIG. 1, and the electrode 31-2 is electrically connected to the anode pad 76 of FIG.
  • the principle of temperature sensing by the pn junction diode 32 is not mentioned, but the same principle as in Patent Document 2 described above may be applied.
  • the barrier layer 40 is also provided on the surface side of the insulating film 35 and the interlayer insulating film 36 provided extending from the active region 10 to the device region 30.
  • An end portion of the barrier layer 40 provided to extend in the element region 30 is shown as an end portion 11.
  • the end portion 11 on the element region 30 side of the barrier layer 40 in the active region 10 and the end portion 41 on the active region 10 side of the barrier layer 40 in the element region 30 may be provided apart from each other by 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the reason why the barrier layer 40 is provided 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less apart is to electrically isolate the active region 10 and the device region 30.
  • the barrier layer 40 is also provided in the boundary region between the active region 10 and the element region 30, the hydrogen entry / exit can be blocked in the boundary region.
  • the protective film 14 is provided on the surface side of the barrier layer 40, the source electrode 22, and the electrode 31 so as to cover the active region 10 and the element region 30.
  • the protective film 14 may have a function of preventing discharge.
  • the barrier layer 40 is also provided in a region where the active region 10 or the like is not provided (covering region 78). That is, the barrier layer 40 is provided as much as possible on the entire surface side of the semiconductor device 100. Accordingly, hydrogen can be prevented from entering the gate insulating film 24, so that the problem that the gate voltage threshold (Vth) of the gate structure 12 is shifted can be solved.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional view along the line BB ′ in FIG.
  • the BB ′ cross-sectional view is a yz cross-sectional view including the pressure-resistant structure portion 50.
  • the breakdown voltage structure 50 includes a guard ring 52, an interlayer insulating film 36, and a barrier layer 40. Although only two guard rings 52 are shown in FIG. 3, three or more guard rings 52 may be provided.
  • the guard ring 52 is a p-type semiconductor region provided on the surface side of the n-type drift layer 18.
  • the p-type semiconductor region of the guard ring 52 and the n-type drift layer 18 form a pn junction.
  • the interlayer insulating film 36 is provided in a portion other than the surface side of the guard ring 52.
  • voltage resistant structure part 50 has the barrier layer 40.
  • FIG. The barrier layer 40 of the breakdown voltage structure 50 is manufactured in the same process as the barrier layer 40 of the active region 10. Therefore, the material of the barrier layer 40 of the breakdown voltage structure 50 and the order of lamination are the same as those of the barrier layer 40 of the active region 10.
  • the barrier layer 40 of the withstand voltage structure 50 does not provide electrical connection with the outside, an electrode containing Al may not be provided on the surface side of the barrier layer 40 in the withstand voltage structure 50. Thereby, the amount of hydrogen supplied from Al can be reduced.
  • the second titanium layer 48 on the most surface side covers end side surfaces of the first titanium nitride layer 42, the first titanium layer 44, and the second titanium nitride layer 46. . Thereby, the titanium nitride layer that is more easily corroded by acid or the like than the titanium layer can be protected by the second titanium layer 48.
  • the plurality of barrier layers 40 are provided on the surface side of the pressure resistant structure 50 and have a floating potential.
  • the plurality of barrier layers 40 are formed in the same rectangular ring shape as the guard ring 52.
  • the plurality of barrier layers 40 are electrically connected to the guard ring 52. Between the plurality of guard rings 52, the barrier layers 40 are provided to be separated from each other.
  • the barrier layer 40 closest to the substrate end 21 is also formed in a rectangular ring shape. Note that the guard ring 52 is not provided on the back side of the barrier layer 40 closest to the substrate end 21.
  • FIG. 4A to 4F are views showing a method for manufacturing the active region 10 and the element region 30 in the semiconductor device 100.
  • FIG. The semiconductor device 100 of this example may have a withstand voltage of 1,200V class.
  • 4A to 4F show an example of a method for manufacturing the semiconductor device 100, and the impurity concentration, the heat treatment temperature, the heat treatment time, the thickness of the layer or film, and the like may be appropriately changed.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a step of forming the p-type well region 27, the p + -type contact region 28, and the n + -type source region 29.
  • an n + type layer 16 having an n type impurity concentration of about 2.0E + 19 cm ⁇ 3 is prepared. Note that E means 10 tiles. For example, E + 19 means 10 to the 19th power.
  • the n + type layer 16 in this example is an n + type SiC substrate.
  • the n + -type SiC substrate may have a (000-1) plane whose main surface has an off angle of about 4 degrees in the ⁇ 11-20> direction.
  • an n-type drift layer 18 having an n-type impurity concentration of about 1.0E + 16 cm ⁇ 3 is grown on the surface side of the n + -type layer 16 by an epitaxial method by about 10 ⁇ m.
  • the n-type impurity concentration in this example is N (nitrogen), but other impurities may be used as long as they are n-type impurities.
  • a p-type well region 27 having a p-type impurity concentration of about 2.0E + 16 cm ⁇ 3 is grown on the surface side of the n-type drift layer 18 by an epitaxial method by about 0.5 ⁇ m.
  • the p-type impurity concentration in this example is Al, but other impurities may be used as long as they are p-type impurities.
  • the n-type drift layer 18 is grown by about 0.5 ⁇ m by an epitaxial method.
  • a p + -type contact region 28 is selectively formed on the surface side of the p-type well region 27 by photolithography and ion implantation.
  • the guard ring 52 is formed at the same time.
  • an n + -type source region 29 is selectively formed on the surface side of the p-type well region 27 by photolithography and ion implantation.
  • the semiconductor substrate 20 is heat-treated to activate the p-type well region 27, the p + -type contact region 28, the guard ring 52, and the n + -type source region 29.
  • the semiconductor substrate 20 is heat-treated at 1,620 ° C. for about 2 minutes.
  • FIG. 4B is a diagram showing a stage in which the gate insulating film 24, the gate electrode 25, and the interlayer insulating film 26 are formed.
  • FIG. 4B is a diagram showing a stage after FIG. 4A.
  • the gate insulating film 24 is formed by thermally oxidizing the semiconductor substrate 20 by exposing it to a temperature of about 1,000 ° C. in a mixed atmosphere of oxygen and hydrogen.
  • the gate insulating film 24 may be about 100 nm. Thereby, the surface side of the semiconductor substrate 20 is covered with the gate insulating film 24.
  • polycrystalline silicon doped with phosphorus is formed on the surface side of the gate insulating film 24.
  • the polycrystalline silicon is selectively removed by photolithography to leave the polycrystalline silicon in a region sandwiched between the two p-type well regions 27. Thereby, the polycrystalline silicon becomes the gate electrode 25.
  • an interlayer insulating film 26 is formed on the surface side and side surfaces of the gate electrode 25.
  • the gate insulating film 24 and the interlayer insulating film 36 are patterned by photolithography, leaving the gate insulating film 24 immediately below the gate electrode 25 and leaving the interlayer insulating film 36 on the surface side and side surfaces of the gate electrode 25.
  • the p-type well region 27 immediately below the gate electrode 25 becomes a channel formation region.
  • FIG. 4C is a diagram showing a stage in which the insulating film 35 and the pn junction diode 32 are formed.
  • FIG. 4C is a diagram showing a stage after FIG. 4B.
  • an insulating film 35 or more is provided on the surface side of the semiconductor substrate 20 in the region including the element region 30 at least 2,000 mm.
  • the insulating film 35 may be an oxide film, a PSG (Phosphosilicate Glass) film, or a BPSG (Borophosphosilicate Glass) film.
  • the insulating film 35 may be patterned by photolithography. Thereby, the insulating film 35 is formed in the vicinity of the boundary between the active region 10 and the element region 30 and in the element region 30.
  • an n-type semiconductor region 33 and a p-type semiconductor region 34 of polycrystalline silicon are formed in the element region 30.
  • the n-type semiconductor region 33 and the p-type semiconductor region 34 may be formed by ion implantation into non-doped polycrystalline silicon, and are formed by selectively growing n-type polycrystalline silicon and p-type polycrystalline silicon. Also good.
  • the n-type impurity of non-doped polycrystalline silicon may be B (boron) or the like, and the p-type impurity may be As (arsenic) or the like.
  • FIG. 4D is a diagram showing a step of forming the interlayer insulating film 36.
  • FIG. 4D is a diagram showing a stage after FIG. 4C. 4D, first, the interlayer insulating film 36 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 20 in the region including the element region 30. The interlayer insulating film 36 in the element region 30 is patterned by photolithography so as to provide contact holes 37 on the surface sides of the n-type semiconductor region 33 and the p-type semiconductor region 34, respectively. Next, the interlayer insulating film 36 is reflowed and planarized by heat-treating the semiconductor substrate 20.
  • FIG. 4E is a diagram illustrating a step of forming the barrier layer 40.
  • FIG. 4E is a diagram showing a stage after FIG. 4D. 4E, first, a first titanium nitride layer 42, a first titanium layer 44, and a second titanium nitride layer 46 are sequentially formed by sputtering. Thereby, the first titanium nitride layer 42 is in physical contact with the p + type contact region 28 and the n + type source region 29.
  • the thickness of the first titanium layer 44 may be 10 nm or more and 50 nm or less, and the thickness of each of the first titanium nitride layer 42 and the second titanium nitride layer 46 may be 50 nm or more and 200 nm or less.
  • the first titanium nitride layer 42, the first titanium layer 44, and the second titanium nitride layer 46 are patterned by photolithography to form the active region 10, the n-type semiconductor region 33 in the element region 30, and the element The region 30 is separated from the p-type semiconductor region 34.
  • a second titanium layer 48 is formed by sputtering.
  • the thickness of the second titanium layer may be 10 nm or more and 50 nm or less.
  • the second titanium layer 48 of this example is patterned and the side surfaces of the end portions of the first titanium nitride layer 42, the first titanium layer 44, and the second titanium nitride layer 46 whose end side surfaces are aligned in the z direction. It is provided to cover.
  • the end portion 11 of the barrier layer 40 in the active region 10 and the end portion 41 of the barrier layer 40 in the element region 30 are separated from each other by 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • a gap 39 is provided between the barrier layer 40 connected to the n-type semiconductor region 33 and the barrier layer 40 connected to the p-type semiconductor region 34.
  • the spacing 39 may be 10 ⁇ m.
  • FIG. 4F is a diagram illustrating a step of forming the source electrode 22, the electrode 31, the protective film 14, and the drain electrode 23.
  • FIG. 4F is a diagram illustrating a stage after FIG. 4E. 4F is the same as FIG.
  • an Al layer is formed by sputtering and patterned by photolithography to form the source electrode 22 and the electrode 31.
  • Ni nickel
  • Ni is formed on the back surface side of the semiconductor substrate 20 by a sputtering method and heat-treated at 970 ° C.
  • an ohmic junction region is formed on the back surface side of the n + -type layer 16.
  • Ni, Ti, and Au gold are formed in this order on the back side of the ohmic junction region by sputtering.
  • the drain electrode 23 is formed.
  • FIG. 5 is a diagram showing the active region 10 in the second embodiment.
  • the gate structure 12 of this example has a so-called trench type gate electrode 25.
  • the gate insulating film 24 covers the back side and the side surface of the gate electrode 25.
  • the interlayer insulating film 26 covers the surface side of the gate electrode 25.
  • the p-type well region 27 is provided in common for the plurality of gate electrodes.
  • the present example is different from the first example. The other points are the same as in the first embodiment.
  • the gate electrode 25 of this example is provided so as to penetrate the p-type well region 27 and reach the n-type drift layer 18.
  • a predetermined voltage is applied to the gate electrode 25
  • a channel is formed between the gate insulating film 24 and the p-type well region 27, and the n + -type source region 29 and the n-type drift layer 18 are brought into conduction.
  • the function and effect of the barrier layer 40 can be obtained as in the first example.
  • the gate electrode 25 a trench type, the gate structure 12 can be miniaturized as compared with the planar type of the first embodiment, so that the channel density can be improved. As a result, the on-resistance of the active region 10 can be reduced compared to the planar type.
  • FIG. 6 is a diagram showing the active region 10 in the third embodiment.
  • the active region 10 of this example includes a super junction structure having a p-type column 84 and an n-type column 88 provided periodically.
  • a p-type well region 27 and a p + -type contact region 28 are provided on the surface side of the p-type column 84.
  • the gate insulating film 24 and the gate electrode 25 are provided on the surface side of the n-type column 88.
  • the present example is different from the first example. The other points are the same as in the first embodiment. Also in this example, the function and effect of the barrier layer 40 can be obtained as in the first example.
  • the impurity concentration of the n-type column 88 can be made higher than the impurity of the n-type drift layer 18 in the first embodiment, so that the breakdown voltage is higher than that in the first embodiment.
  • the on-resistance can be reduced without lowering.
  • FIG. 7 is a diagram showing the active region 10 in the fourth embodiment.
  • the source electrode 22 containing Al is patterned so that the end side surfaces thereof are aligned in the z-direction, the first titanium nitride layer 42, the first titanium layer 44, the second titanium nitride layer 46, and the second The end face of the titanium layer 48 is provided so as to cover it.
  • the present example is different from the first example.
  • the other points are the same as in the first embodiment.
  • the source electrode 22 can protect the titanium nitride layer that is more easily corroded by acid or the like than the titanium layer. Since the source electrode 22 is only in contact with the side surface of the end portion of the first titanium layer 44, the reaction between Al contained in the source electrode 22 and the first titanium layer 44 does not cause a problem.
  • P + type contact Region 29..n + type source region, 30..element region, 31..electrode, 32..pn junction diode, 33..n type semiconductor region, 34..p type semiconductor region, 35..insulating film 36..Interlayer insulating film 37..Contact hole 38..Side wall 39..Space 40.Barrier layer 41..End portion 42..First titanium nitride layer 44 .. 1 titanium layer, 46 .. second titanium nitride layer, 48 .. second titanium layer 50 .. Withstand voltage structure part 52.. Guard ring 70.. Gate pad 72. Source pad 73 73 Wiring 74 Cathode pad 76 Anode pad 78 Cover region 84 ..P-type column, 88..n-type column, 100..semiconductor device

Abstract

半導体基板と、半導体基板の表面側に設けられたアルミニウムを含む電極と、半導体基板と電極との間に設けられたバリア層とを備え、バリア層は、半導体基板に近い方から順に、第１の窒化チタン層、第１のチタン層、第２の窒化チタン層および第２のチタン層を有する半導体装置を提供する。

Description

半導体装置
　本発明は、半導体装置に関する。
　従来、ソース電極中のアルミニウム（Ａｌ）に起因する、層間絶縁膜の腐食、および、ポリシリコンで形成されたゲート電極とソース電極との短絡を防止するべく、バリアメタル層を設けていた。また、電気的コンタクトを改善するべく、Ａｌを有するアノード電極およびＡｌを有するカソード電極とポリシリコン層との間に、バリアメタル層を設けていた（例えば、特許文献１参照）。また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成された半導体装置において、ｎｐｎバイポーラ構造を用いた温度素子モニタが知られている（例えば、特許文献２参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
　［特許文献１］　特開２０１２－１２９５０３号公報
　［特許文献２］　特開２０１３－２０１３５７号公報
　Ａｌを有するソース電極を成膜した後に、当該ソース電極は約４００℃でシンタリングされる。シンタリング工程では、Ａｌ中に含まれる水素が半導体装置内に入り込む。水素は還元作用を有するので、水素により半導体装置内の酸素が引き抜かれて、ゲート絶縁膜として用いられる二酸化シリコン等の絶縁膜の性質が変化する場合がある。これによりゲート構造のゲート電圧閾値（Ｖｔｈ）がシフトする問題がある。そこで、水素が半導体装置内への侵入することを防ぐ半導体装置の構造を提供する。
　本発明の第１の態様においては、半導体基板と、半導体基板の表面側に設けられたアルミニウムを含む電極と、半導体基板と電極との間に設けられたバリア層とを備え、バリア層は、半導体基板に近い方から順に、第１の窒化チタン層、第１のチタン層、第２の窒化チタン層および第２のチタン層を有する半導体装置を提供する。
　第２のチタン層は、第１のチタン層よりも大きい厚みを有してよい。第１のチタン層および第２のチタン層の各々は、第１の窒化チタン層および第２の窒化チタン層のいずれよりも小さい厚みを有してよい。第１のチタン層および第２のチタン層の各々の厚みは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、第１の窒化チタン層および第２の窒化チタン層の各々の厚みは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。
　半導体装置は、ゲート構造を有する活性領域と、活性領域とは異なる領域であって、半導体基板の表面側に設けられた半導体素子を含む素子領域とをさらに備えてよい。バリア層は、アルミニウムを含む電極と半導体素子との間に設けられてよい。半導体素子は、ｐｎ接合ダイオードであり、アルミニウムを含む電極は、ｐｎ接合ダイオードに電気的に接続した電極であってよい。
　素子領域は、半導体素子の表面側に絶縁膜をさらに有してよい。バリア層は、活性領域から素子領域に延伸して設けられた絶縁膜の表面側にも設けられてよい。
　絶縁膜は、半導体素子とアルミニウムを含む電極とが電気的に接続するコンタクトホールを有し、バリア層は、コンタクトホールの側壁にも設けられてよい。半導体基板を上面視した場合に、バリア層は素子領域よりも広い領域に設けられてよい。
　活性領域のゲート構造は、ゲート電極と、ゲート電極よりも表面側に設けられたバリア層とを有してよい。活性領域におけるバリア層の素子領域の側の端部と、素子領域におけるバリア層の活性領域の側の端部とは１０μｍ以上２０μｍ以下離間していてよい。半導体装置は、ゲート電極よりも表面側に設けられた電極と、ゲート電極との間に層間絶縁膜をさらに備えてよい。バリア層は、ゲート電極よりも表面側に設けられた電極と層間絶縁膜との間に設けられてよい。
　半導体装置は、半導体基板の端部の辺に沿って設けられた耐圧構造部をさらに備えてよい。バリア層は、耐圧構造部の表面側に設けられ、耐圧構造部のバリア層は、フローティング電位を有してよい。耐圧構造部のバリア層の表面側には、アルミニウムを含む電極が設けられないとしてよい。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
第１実施例における半導体装置１００の平面図を示す図である。 図１におけるＡ‐Ａ'断面図を示す図である。 図１におけるＢ‐Ｂ'断面図を示す図である。 ｐ型ウェル領域２７、ｐ＋型コンタクト領域２８およびｎ＋型ソース領域２９を形成する段階を示す図である。 ゲート絶縁膜２４、ゲート電極２５および層間絶縁膜２６を形成する段階を示す図である。 絶縁膜３５およびｐｎ接合ダイオード３２を形成する段階を示す図である。 層間絶縁膜３６を形成する段階を示す図である。 バリア層４０を形成する段階を示す図である。 ソース電極２２、電極３１、保護膜１４およびドレイン電極２３を形成する段階を示す図である。 第２実施例における活性領域１０を示す図である。 第３実施例における活性領域１０を示す図である。 第４実施例における活性領域１０を示す図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１は、第１実施例における半導体装置１００の平面図を示す図である。つまり、図１は、半導体基板２０を上面視した場合を示す。半導体装置１００は、ｘ‐ｙ平面に平行な面を有する。ｘ方向とｙ方向とは互いに垂直な方向であり、ｚ方向はｘ‐ｙ平面に垂直な方向である。本明細書において、表面側とはｘ‐ｙ平面に平行な面を有する物体のｚ方向の側を意味し、裏面側とは当該物体の－ｚ方向の側を意味するとする。物体の表面側と裏面側との間に位置する面は、当該物体の側面と称する。
　半導体装置１００は、半導体基板２０を有する。半導体装置１００は、半導体基板２０の表面側において、活性領域１０、素子領域３０、耐圧構造部５０、ゲートパッド７０、ソースパッド７２、配線７３、被覆領域７８、カソードパッド７４およびアノードパッド７６を備える。なお、図１においては、半導体装置１００の最も表面側に位置する保護膜１４を省略している。後述する保護膜１４は、外部の電極と電気的に接続するゲートパッド７０、ソースパッド７２、カソードパッド７４およびアノードパッド７６の表面側を除いて、半導体装置１００の最も表面側に設けられる。
　活性領域１０は、後述のゲート構造１２等を有する領域である。本例の活性領域１０は、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｏｒ）であってもよい。活性領域１０の表面側全体は、後述のバリア層４０で覆われている。なお、図１においては、バリア層４０が設けられる部分にハッチングを付して示す。
　ゲートパッド７０は、後述のゲート電極と半導体装置１００の外部の電極との電気的接続を提供する部分である。同様に、ソースパッド７２も、後述のソース電極と半導体装置１００の外部の電極との電気的接続を提供する部分である。本例のゲートパッド７０およびソースパッド７２は、後述するバリア層４０と当該バリア層４０の表面側に設けられたＡｌを含む電極とで形成されてよい。
　素子領域３０は、活性領域１０とは異なる領域である。素子領域３０の表面側は、後述のバリア層４０で覆われている。素子領域３０は、半導体装置１００の温度を測定する温度測定素子を有してよい。カソードパッド７４およびアノードパッド７６は、温度測定素子のカソードおよびアノードにそれぞれ電気的に接続した部分である。カソードパッド７４は温度測定素子のカソードと外部の電極との電気的接続を提供し、アノードパッド７６は、温度測定素子のアノードと外部の電極との電気的接続を提供する。
　カソードパッド７４と素子領域３０のカソードとは、配線７３により電気的に接続される。また、アノードパッド７６と素子領域３０のアノードとは、配線７３により電気的に接続される。本例の配線７３は、後述するバリア層４０とバリア層４０の表面側に設けられたＡｌを含む電極とで形成される。
　耐圧構造部５０は、半導体基板２０の端部の辺に沿って設けられる。耐圧構造部５０の表面側は、後述のバリア層４０で覆われている。耐圧構造部５０は、半導体基板２０の端部の辺に沿って設けられた複数のガードリングを含む。後述のガードリングは、活性領域１０における半導体基板２０内部で発生した空乏層を半導体基板２０の端部へ広げる。これにより、半導体基板２０内部の空乏層における電界集中を防ぐことができる。よって、耐圧構造部５０を設けない場合と比較して、半導体装置１００の耐圧を向上させることができる。
　被覆領域７８は、半導体基板２０の表面側に後述のバリア層４０を設けた領域である。被覆領域７８と半導体基板２０との間には、製造工程で作成する層間絶縁膜等の絶縁膜が設けられてよい。被覆領域７８は、活性領域１０および素子領域３０等が設けられていない半導体基板２０の表面側を、後述のバリア層４０により可能な限り覆うべく設けられた領域である。このように、後述のバリア層４０は、活性領域１０および素子領域３０等よりも広い領域に設けられる。
　図２は、図１におけるＡ‐Ａ'断面図を示す図である。Ａ‐Ａ'断面図は、活性領域１０および素子領域３０を含む領域をｙ‐ｚ平面で切った断面図である。本例の半導体装置１００は、縦型ＭＯＳＦＥＴを有する。本例の半導体基板２０はＳｉＣ（炭化シリコン）で形成されるが、半導体基板２０はＧａＮ（窒化ガリウム）またはＳｉ（シリコン）で形成されてもよい。
　本例の半導体基板２０は、ｎ＋型層１６とｎ＋型層１６の表面側に形成されたｎ型ドリフト層１８とを有する。ｎ＋型層１６はｎ＋型のＳｉＣ基板であってよく、ｎ型ドリフト層１８はｎ＋型のＳｉＣ基板の表面側にエピタキシャルに形成されたＳｉＣ層であってよい。半導体基板２０の裏面側には、ドレイン電極２３が設けられる。
　（活性領域１０）活性領域１０は、複数のゲート構造１２を有する。活性領域１０のゲート構造１２は、ゲート絶縁膜２４、ゲート電極２５、層間絶縁膜２６、バリア層４０、ソース電極２２、ドレイン電極２３、ｐ型ウェル領域２７、ｐ＋型コンタクト領域２８およびｎ＋型ソース領域２９を有する。
　ｎ型ドリフト層１８に近い順に、ゲート絶縁膜２４、ゲート電極２５および層間絶縁膜２６が設けられる。層間絶縁膜２６は、ゲート電極２５よりも表面側に設けられたソース電極２２とゲート電極２５との間に設けられる。加えて、層間絶縁膜２６は、ゲート電極２５の側面を囲んで設けられる。ゲート電極２５に所定の電圧が印加されると、ゲート電極２５の直下におけるｐ型ウェル領域２７にチャネルが形成され、ｎ＋型ソース領域２９とｎ型ドリフト層１８とが導通する。
　ソース電極２２は、半導体基板２０の表面側に設けられたＡｌを含む電極である。ソース電極２２は、バリア層４０を介してｐ＋型コンタクト領域２８およびｎ＋型ソース領域２９に電気的に接続する。バリア層４０は、半導体基板２０とソース電極２２との間に設けられる。より具体的には、バリア層４０は、活性領域１０の表面側全体において、ソース電極２２と層間絶縁膜２６との間に設けられる。バリア層４０は、半導体基板２０に近い方から順に、第１の窒化チタン層４２、第１のチタン層４４、第２の窒化チタン層４６および第２のチタン層４８を有する。
　第１の窒化チタン層４２は、第１の窒化チタン層４２の裏面側の構造物と第１のチタン層４４との反応を防止するために設けられた層である。第１のチタン層４４は、水素の出入りを遮断する水素バリア層として機能する。第２の窒化チタン層４６は、バリア層４０の表面側に設けられるＡｌを含むソース電極２２と第１のチタン層４４との反応を防止する機能を有する。
　第２のチタン層４８は、Ａｌを含むソース電極２２と反応して、単層のＡｌ層よりも硬度が高いＴｉ‐Ａｌ層を形成する。加えて、ソース電極２２のＡｌと反応しなかった第２のチタン層４８は、水素の出入りを遮断する水素バリア層として機能する。Ｔｉ‐Ａｌ層を形成しても水素バリア機能を担保するべく、第２のチタン層４８は第１のチタン層４４よりも大きい厚みを有してよい。なお、本明細書において、第２のチタン層４８の厚みは、Ａｌを含むソース電極２２の形成後におけるＡｌ‐Ｔｉの合金層の厚みを含むものとする。
　第１のチタン層４４および第２のチタン層４８の各々は、第１の窒化チタン層４２および第２の窒化チタン層４６のいずれよりも小さい厚みを有してよい。チタン層は窒化チタン層よりも応力が大きいので、チタン層を窒化チタン層よりも薄くすることで半導体装置１００に生じる応力を抑制することができる。
　本例では、第１のチタン層４４および第２のチタン層４８の各々の厚みは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、第１の窒化チタン層４２および第２の窒化チタン層４６の各々の厚みは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。チタン層および窒化チタン層の厚みの下限は、段差部において段切れが生じない最小の厚みであってよい。チタン層および窒化チタン層が厚いほど半導体装置１００に生じる応力が大きくなるので、チタン層および窒化チタン層の厚みの上限は、半導体装置１００に生じる応力を抑制するための最大の厚みであってよい。
　（素子領域３０）素子領域３０は、半導体基板２０の表面側に接して設けられた絶縁膜３５、絶縁膜３５に接して設けられた半導体素子、および、半導体素子の表面側の層間絶縁膜３６を有する。層間絶縁膜３６は、絶縁膜３５にも接する。絶縁膜３５および層間絶縁膜３６は、活性領域１０から素子領域３０に延伸して設けられる。
　本例の半導体素子は、ｐｎ接合ダイオード３２である。ｐｎ接合ダイオード３２は、ｎ型半導体領域３３およびｐ型半導体領域３４を含む。ｎ型半導体領域３３はｎ型ポリシリコンであってよく、ｐ型半導体領域３４はｐ型ポリシリコンであってよい。ｎ型半導体領域３３およびｐ型半導体領域３４は、バリア層４０との接続界面において、接触抵抗を下げるべくＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）を有してよい。
　ｐｎ接合ダイオード３２は、半導体基板２０の過熱度を検知するために用いられる。半導体装置１００には、活性領域１０のゲート構造１２と電気的に接続する制御ＩＣが接続されてよい。当該制御ＩＣは、ｐｎ接合ダイオード３２で測定された半導体基板２０の温度が予め定められた温度を超えた場合には、活性領域１０の動作周波数を下げることにより半導体基板２０の温度を下げる。これにより、半導体装置１００の異常過熱を防止することができる。
　層間絶縁膜３６は、コンタクトホール３７を有する。コンタクトホール３７にはバリア層４０が設けられる。ｐｎ接合ダイオード３２とＡｌを含む電極３１とは、コンタクトホール３７のバリア層４０を通じて電気的に接続する。バリア層４０は、コンタクトホール３７の側壁３８にも設けられる。
　バリア層４０は、電極３１とｐｎ接合ダイオード３２との間に設けられる。素子領域３０のバリア層４０は、活性領域１０のバリア層４０と同一工程で製造される。つまり、素子領域３０のバリア層４０の材料および積層の順序は、活性領域１０のバリア層４０と同一である。
　素子領域３０のバリア層４０は、活性領域１０のバリア層４０と同一の機能を有する。なお、素子領域３０において、第１の窒化チタン層４２は、ｎ型半導体領域３３およびｐ型半導体領域３４の表面側におけるＮｉＳｉ層と第１のチタン層４４との反応を防止する機能も有する。
　バリア層４０は、ｐｎ接合ダイオード３２の表面側を覆って設けられる。ｎ型半導体領域３３（カソード）に接続するバリア層４０とｐ型半導体領域３４（アノード）に接続するバリア層４０とを電気的に分離するべく、ｎ型半導体領域３３の表面側のバリア層４０とｐ型半導体領域３４の表面側のバリア層４０との間には、間隔３９を設ける。間隔３９のｙ方向の長さは、１０μｍであってよい。
　バリア層４０は、アノードおよびカソードを電気的に分離する限り、素子領域３０の表面側において可能な限り設けられる。これによりバリア層４０は、チタン層の段切れを防止しつつ、半導体装置１００に生じる応力を抑制しつつ、水素の出入りを遮断することができる。
　ｎ型半導体領域３３に接続するバリア層４０の表面側に電極３１‐１が設けられ、ｐ型半導体領域３４に接続するバリア層４０の表面側に電極３１‐２が設けられる。電極３１‐１は図１のカソードパッド７４に電気的に接続され、電極３１‐２は図１のアノードパッド７６に電的に接続される。本明細書ではｐｎ接合ダイオード３２による温度センシングの原理については言及しないが、上述の特許文献２と同様の原理を適用してよい。
　（活性領域１０と素子領域３０との境界領域）バリア層４０は、活性領域１０から素子領域３０に延伸して設けられた絶縁膜３５および層間絶縁膜３６の表面側にも設けられる。素子領域３０に延伸して設けられたバリア層４０の端部を端部１１として示す。活性領域１０におけるバリア層４０の素子領域３０の側の端部１１と、素子領域３０におけるバリア層４０の活性領域１０の側の端部４１とは１０μｍ以上２０μｍ以下離間して設けられてよい。バリア層４０を１０μｍ以上２０μｍ以下離間して設けるのは、活性領域１０と素子領域３０とを電気的に分離するためである。本例では、活性領域１０と素子領域３０との境界領域にもバリア層４０を設けるので、当該境界領域においても水素の出入りを遮断することができる。
　（半導体装置１００全体）保護膜１４は、活性領域１０および素子領域３０を覆って、バリア層４０、ソース電極２２および電極３１の表面側に設けられる。保護膜１４は放電防止の機能を有してよい。本例では、活性領域１０、素子領域３０、耐圧構造部５０に加えて、活性領域１０等が設けられない領域（被覆領域７８）にもバリア層４０を設ける。つまり、半導体装置１００の表面側全体において可能な限りバリア層４０を設ける。これにより、ゲート絶縁膜２４への水素の侵入を防ぐことができるので、ゲート構造１２のゲート電圧閾値（Ｖｔｈ）がシフトする問題を解消することができる。
　図３は、図１におけるＢ‐Ｂ'断面図を示す図である。Ｂ‐Ｂ'断面図は耐圧構造部５０を含むｙ‐ｚ断面図である。耐圧構造部５０は、ガードリング５２、層間絶縁膜３６およびバリア層４０を含む。図３においては２つのガードリング５２のみを示すが、ガードリング５２は３以上設けられてもよい。
　ガードリング５２は、ｎ型ドリフト層１８の表面側に設けられたｐ型半導体領域である。ガードリング５２のｐ型半導体領域とｎ型ドリフト層１８とはｐｎ接合を形成する。耐圧構造部５０において、層間絶縁膜３６はガードリング５２の表面側以外の部分に設けられる。
　耐圧構造部５０はバリア層４０を有する。耐圧構造部５０のバリア層４０は、活性領域１０のバリア層４０と同一工程で製造される。それゆえ、耐圧構造部５０のバリア層４０の材料および積層の順序は、活性領域１０のバリア層４０と同一である。
　耐圧構造部５０のバリア層４０は外部との電気的接続を提供しないので、耐圧構造部５０におけるバリア層４０の表面側にはＡｌを含む電極を設けないとしてよい。これにより、Ａｌから供給される水素の量を減少させることができる。また、本例のバリア層４０では、最も表面側の第２のチタン層４８が、第１の窒化チタン層４２、第１のチタン層４４および第２の窒化チタン層４６の端部側面を覆う。これにより、チタン層と比較して酸等により腐食されやすい窒化チタン層を、第２のチタン層４８により保護することができる。
　複数のバリア層４０は、耐圧構造部５０の表面側に設けられ、フローティング電位を有する。複数のバリア層４０は、ガードリング５２と同じ矩形のリング状に形成される。複数のバリア層４０は、ガードリング５２に電気的に接続する。複数のガードリング５２間において、バリア層４０同士は離間されて設けられる。なお、最も基板端部２１に近いバリア層４０も矩形のリング状に形成される。なお、最も基板端部２１に近いバリア層４０の裏面側にはガードリング５２は設けられない。
　図４Ａから図４Ｆは、半導体装置１００における活性領域１０および素子領域３０の製造方法を示す図である。本例の半導体装置１００は、１，２００Ｖクラスの耐圧を有してよい。図４Ａから図４Ｆは半導体装置１００の製造方法の一例を示すものであり、不純物濃度、熱処理温度、熱処理時間、および、層または膜の厚み等は、適宜変更してよい。
　図４Ａは、ｐ型ウェル領域２７、ｐ＋型コンタクト領域２８およびｎ＋型ソース領域２９を形成する段階を示す図である。まず、約２．０Ｅ＋１９ｃｍ－３のｎ型不純物濃度を有するｎ＋型層１６を準備する。なお、Ｅは１０の冪を意味する。例えばＥ＋１９は１０の１９乗を意味する。本例のｎ＋型層１６は、ｎ＋型ＳｉＣ基板である。ｎ＋型ＳｉＣ基板は、主面が＜１１－２０＞方向に４度程度のオフ角を有する（０００－１）面であってよい。
　次に、ｎ＋型層１６の表面側に、約１．０Ｅ＋１６ｃｍ－３のｎ型不純物濃度を有するｎ型ドリフト層１８を、エピタキシャル法により約１０μｍ成長させる。本例のｎ型不純物濃度はＮ（窒素）であるが、ｎ型不純物であれば他の不純物を用いてもよい。
　次に、ｎ型ドリフト層１８の表面側に、約２．０Ｅ＋１６ｃｍ－３のｐ型不純物濃度を有するｐ型ウェル領域２７を、エピタキシャル法により約０．５μｍ成長させる。本例のｐ型不純物濃度はＡｌであるが、ｐ型不純物であれば他の不純物を用いてもよい。なお、ｐ型ウェル領域２７以外の領域は、ｎ型ドリフト層１８をエピタキシャル法により約０．５μｍ成長させる。
　次に、フォトリソグラフィーおよびイオン注入により、ｐ型ウェル領域２７の表面側に、ｐ＋型コンタクト領域２８を選択的に形成する。なお、この工程において、ガードリング５２を同時に形成する。次に、フォトリソグラフィーおよびイオン注入により、ｐ型ウェル領域２７の表面側に、ｎ＋型ソース領域２９を選択的に形成する。
　次に、ｐ型ウェル領域２７、ｐ＋型コンタクト領域２８、ガードリング５２およびｎ＋型ソース領域２９を活性化させるために半導体基板２０を熱処理する。例えば、半導体基板２０を１，６２０℃で約２分間熱処理する。
　図４Ｂは、ゲート絶縁膜２４、ゲート電極２５および層間絶縁膜２６を形成する段階を示す図である。図４Ｂは図４Ａの後の段階を示す図である。図４Ｂの段階では、まず、酸素および水素の混合雰囲気下において半導体基板２０を約１，０００℃の温度に曝して熱酸化することにより、ゲート絶縁膜２４を形成する。ゲート絶縁膜２４は、約１００ｎｍであってよい。これにより、半導体基板２０の表面側は、ゲート絶縁膜２４により覆われる。
　次に、ゲート絶縁膜２４の表面側に、リンがドープされた多結晶シリコンを形成する。次に、フォトリソグラフィーにより多結晶シリコンを選択に除去して、２つのｐ型ウェル領域２７に挟まれた領域に多結晶シリコンを残す。これにより多結晶シリコンは、ゲート電極２５となる。次に、ゲート電極２５の表面側および側面に層間絶縁膜２６を形成する。次に、フォトリソグラフィーによりゲート絶縁膜２４および層間絶縁膜３６をパターニングして、ゲート電極２５の直下にゲート絶縁膜２４を残し、ゲート電極２５の表面側および側面に層間絶縁膜３６を残す。ゲート電極２５直下のｐ型ウェル領域２７は、チャネル形成領域となる。
　図４Ｃは、絶縁膜３５およびｐｎ接合ダイオード３２を形成する段階を示す図である。図４Ｃは図４Ｂの後の段階を示す図である。図４Ｃの段階では、まず、素子領域３０を含む領域における半導体基板２０の表面側に絶縁膜３５を２，０００Å以上設ける。絶縁膜３５は酸化膜、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）膜またはＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）膜であってよい。フォトリソグラフィーにより絶縁膜３５をパターニングしてもよい。これにより、活性領域１０と素子領域３０との境界近傍および素子領域３０に、絶縁膜３５を形成する。
　次に、素子領域３０において、多結晶シリコンのｎ型半導体領域３３およびｐ型半導体領域３４を形成する。ｎ型半導体領域３３およびｐ型半導体領域３４は、ノンドープの多結晶シリコンにイオン注入することにより形成してよく、ｎ型多結晶シリコンおよびｐ型多結晶シリコンを選択的に成長させて形成してもよい。ノンドープの多結晶シリコンのｎ型不純物はＢ（ボロン）等であってよく、ｐ型不純物はＡｓ（ヒ素）等であってよい。図４Ａおよび図４Ｂの段階の後にｐｎ接合ダイオード３２を形成することにより、ｐｎ接合ダイオード３２の多結晶シリコンが１，０００℃を超える高温プロセスに曝されることを防ぐことができる。これにより、多結晶シリコンの損傷を避けることができる。
　図４Ｄは、層間絶縁膜３６を形成する段階を示す図である。図４Ｄは図４Ｃの後の段階を示す図である。図４Ｄの段階では、まず、素子領域３０を含む領域における半導体基板２０の表面側に層間絶縁膜３６を形成する。ｎ型半導体領域３３およびｐ型半導体領域３４の表面側にそれぞれコンタクトホール３７を設けるように、素子領域３０の層間絶縁膜３６をフォトリソグラフィーによりパターニングする。次に、半導体基板２０を熱処理することにより、層間絶縁膜３６をリフローさせて平坦化する。
　図４Ｅは、バリア層４０を形成する段階を示す図である。図４Ｅは図４Ｄの後の段階を示す図である。図４Ｅの段階では、まず、スパッタ法により第１の窒化チタン層４２、第１のチタン層４４および第２の窒化チタン層４６を順次成膜する。これにより、第１の窒化チタン層４２は、ｐ＋型コンタクト領域２８およびｎ＋型ソース領域２９と物理的に接触する。上述の様に、第１のチタン層４４の厚みは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下としてよく、第１の窒化チタン層４２および第２の窒化チタン層４６の各々の厚みは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下としてよい。次に、フォトリソグラフィーにより第１の窒化チタン層４２、第１のチタン層４４および第２の窒化チタン層４６をパターニングして、活性領域１０と、素子領域３０のｎ型半導体領域３３と、素子領域３０のｐ型半導体領域３４とにおいて分離させる。
　次に、スパッタ法により第２のチタン層４８を成膜する。第２のチタン層の厚みは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下としてよい。本例の第２のチタン層４８は、パターニングされて端部側面がｚ方向に揃った、第１の窒化チタン層４２、第１のチタン層４４および第２の窒化チタン層４６の端部側面を覆って設けられる。次に、第２のチタン層４８をパターニングすることにより、活性領域１０におけるバリア層４０の端部１１と、素子領域３０におけるバリア層４０の端部４１とは１０μｍ以上２０μｍ以下離間される。同時に、ｎ型半導体領域３３に接続するバリア層４０とｐ型半導体領域３４に接続するバリア層４０との間に間隔３９が設けられる。上述の様に、間隔３９は１０μｍであってよい。
　図４Ｆは、ソース電極２２、電極３１、保護膜１４およびドレイン電極２３を形成する段階を示す図である。図４Ｆは図４Ｅの後の段階を示す図である。なお、図４Ｆは図１と同じである。図４Ｆの段階では、まず、スパッタ法によりＡｌ層を成膜して、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより、ソース電極２２および電極３１を形成する。次に、半導体基板２０の裏面側に、スパッタ法によりＮｉ（ニッケル）を成膜して、９７０℃で熱処理する。これにより、ｎ＋型層１６の裏面側にオーミック接合領域を形成する。次に、当該オーミック接合領域の裏面側に、スパッタ法によりＮｉ、ＴｉおよびＡｕ（金）をこの順序で成膜する。これにより、ドレイン電極２３を形成する。
　図５は、第２実施例における活性領域１０を示す図である。本例のゲート構造１２は、いわゆるトレンチ型のゲート電極２５を有する。ゲート絶縁膜２４は、ゲート電極２５の裏面側および側面を覆う。また、層間絶縁膜２６は、ゲート電極２５の表面側を覆う。さらに、ｐ型ウェル領域２７は複数のゲート電極において共通に設けられる。係る点において本例は、第１実施例と異なる。他の点は、第１実施例と同じである。
　本例のゲート電極２５は、ｐ型ウェル領域２７を貫通しｎ型ドリフト層１８にまで達して設けられる。ゲート電極２５に所定の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜２４とｐ型ウェル領域２７との間にチャネルが形成され、ｎ＋型ソース領域２９とｎ型ドリフト層１８とが導通する。本例においても、第１実施例と同様に、バリア層４０の機能および効果を得ることができる。また、ゲート電極２５をトレンチ型とすることにより、第１実施例のプレーナ型の場合と比較してゲート構造１２を微細化することができるので、チャネル密度を向上させることができる。これにより、プレーナ型の場合と比較して、活性領域１０を低オン抵抗化することができる。
　図６は、第３実施例における活性領域１０を示す図である。本例の活性領域１０は、周期的に設けられたｐ型カラム８４およびｎ型カラム８８を有するスーパージャンクション構造を備える。ｐ型カラム８４の表面側に、ｐ型ウェル領域２７およびｐ＋型コンタクト領域２８が設けられる。また、ｎ型カラム８８の表面側にゲート絶縁膜２４およびゲート電極２５を設ける。係る点において本例は、第１実施例と異なる。他の点は、第１実施例と同じである。本例においても、第１実施例と同様に、バリア層４０の機能および効果を得ることができる。また、活性領域１０をスーパージャンクション構造では、ｎ型カラム８８の不純物濃度を第１実施例におけるｎ型ドリフト層１８の不純物よりも高くすることができるので、第１実施例と比較して耐圧を下げることなく低オン抵抗化することができる。
　図７は、第４実施例における活性領域１０を示す図である。本例において、Ａｌを含むソース電極２２は、パターニングされて端部側面がｚ方向に揃った、第１の窒化チタン層４２、第１のチタン層４４、第２の窒化チタン層４６および第２のチタン層４８の端部側面を覆って設けられる。係る点において本例は、第１実施例と異なる。他の点は、第１実施例と同じである。当該構成により、チタン層と比較して酸等により腐食されやすい窒化チタン層を、ソース電極２２により保護することができる。なお、ソース電極２２は、第１のチタン層４４の端部側面において接するだけであるので、ソース電極２２に含まれるＡｌと第１のチタン層４４との反応は問題とならない。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・活性領域、１１・・端部、１２・・ゲート構造、１４・・保護膜、１６・・ｎ＋型層、１８・・ｎ型ドリフト層、２０・・半導体基板、２１・・基板端部、２２・・ソース電極、２３・・ドレイン電極、２４・・ゲート絶縁膜、２５・・ゲート電極、２６・・層間絶縁膜、２７・・ｐ型ウェル領域、２８・・ｐ＋型コンタクト領域、２９・・ｎ＋型ソース領域、３０・・素子領域、３１・・電極、３２・・ｐｎ接合ダイオード、３３・・ｎ型半導体領域、３４・・ｐ型半導体領域、３５・・絶縁膜、３６・・層間絶縁膜、３７・・コンタクトホール、３８・・側壁、３９・・間隔、４０・・バリア層、４１・・端部、４２・・第１の窒化チタン層、４４・・第１のチタン層、４６・・第２の窒化チタン層、４８・・第２のチタン層、５０・・耐圧構造部、５２・・ガードリング、７０・・ゲートパッド、７２・・ソースパッド、７３・・配線、７４・・カソードパッド、７６・・アノードパッド、７８・・被覆領域、８４・・ｐ型カラム、８８・・ｎ型カラム、１００・・半導体装置

Claims (13)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板の表面側に設けられたアルミニウムを含む電極と、
    　前記半導体基板と前記電極との間に設けられたバリア層と
    を備え、
    　前記バリア層は、前記半導体基板に近い方から順に、第１の窒化チタン層、第１のチタン層、第２の窒化チタン層および第２のチタン層を有する
    　半導体装置。
  2. 　前記第２のチタン層は、前記第１のチタン層よりも大きい厚みを有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記第１のチタン層および前記第２のチタン層の各々は、前記第１の窒化チタン層および前記第２の窒化チタン層のいずれよりも小さい厚みを有する
    請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 　前記第１のチタン層および前記第２のチタン層の各々の厚みは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
    　前記第１の窒化チタン層および前記第２の窒化チタン層の各々の厚みは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、
    請求項１に記載の半導体装置。
  5. 　前記半導体装置は、
    　ゲート構造を有する活性領域と、
    　前記活性領域とは異なる領域であって、前記半導体基板の表面側に設けられた半導体素子を含む素子領域と
    をさらに備え、
    　前記バリア層は、アルミニウムを含む前記電極と前記半導体素子との間に設けられる
    請求項１に記載の半導体装置。
  6. 　前記半導体素子は、ｐｎ接合ダイオードであり、
    　アルミニウムを含む前記電極は、前記ｐｎ接合ダイオードに電気的に接続した電極である
    請求項５に記載の半導体装置。
  7. 　前記素子領域は、前記半導体素子の表面側に絶縁膜をさらに有し、
    　前記バリア層は、前記活性領域から前記素子領域に延伸して設けられた前記絶縁膜の表面側にも設けられる
    請求項６に記載の半導体装置。
  8. 　前記絶縁膜は、前記半導体素子とアルミニウムを含む前記電極とが電気的に接続するコンタクトホールを有し、
    　前記バリア層は、前記コンタクトホールの側壁にも設けられる
    請求項７に記載の半導体装置。
  9. 　前記半導体基板を上面視した場合に、前記バリア層は前記素子領域よりも広い領域に設けられる
    請求項８に記載の半導体装置。
  10. 　前記活性領域の前記ゲート構造は、
    　ゲート電極と、
    　前記ゲート電極よりも表面側に設けられた前記バリア層と
    をさらに有し、
    　前記活性領域における前記バリア層の前記素子領域の側の端部と、前記素子領域における前記バリア層の前記活性領域の側の端部とは１０μｍ以上２０μｍ以下離間している
    　請求項９に記載の半導体装置。
  11. 　前記ゲート電極よりも表面側に設けられた前記電極と、前記ゲート電極との間に層間絶縁膜をさらに備え、
    　前記バリア層は、前記ゲート電極よりも表面側に設けられた前記電極と前記層間絶縁膜との間に設けられる
    請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 　前記半導体基板の端部の辺に沿って設けられた耐圧構造部をさらに備え、
    　前記バリア層は、前記耐圧構造部の表面側に設けられ、
    　前記耐圧構造部の前記バリア層は、フローティング電位を有する
    請求項１に記載の半導体装置。
  13. 　前記耐圧構造部の前記バリア層の表面側には、アルミニウムを含む前記電極が設けられない
    請求項１２に記載の半導体装置。
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