(57)【要約】【課題】終端部の層間絶縁膜内に存在する複数種類の可動イオンの移動が抑えられた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、機能構造が設けられている素子部と終端耐圧構造が設けられている終端部に区画されている半導体基板と、前記素子部と前記終端部の各々の前記半導体基板上に設けられている層間絶縁膜と、前記終端部の前記層間絶縁膜上に設けられている絶縁性の保護膜と、前記終端部の前記層間絶縁膜を貫通する貫通孔内の一部に設けられている金属膜と、を備えており、前記保護膜の一部が、前記貫通孔内に侵入するように設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
機能構造が設けられている素子部と終端耐圧構造が設けられている終端部に区画されている半導体基板と、
前記素子部と前記終端部の各々の前記半導体基板上に設けられている層間絶縁膜と、
前記終端部の前記層間絶縁膜上に設けられている絶縁性の保護膜と、
前記終端部の前記層間絶縁膜を貫通する貫通孔内の一部に設けられている金属膜と、を備えており、
前記保護膜の一部が、前記貫通孔内に侵入するように設けられている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、機能構造が設けられている素子部と終端耐圧構造が設けられている終端部に区画されている半導体基板を備えていることが多い。このような半導体装置の終端耐圧構造としては、複数のガードリング領域が広く採用されている。特許文献１には、複数のガードリング領域が採用された半導体装置が例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１６８６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、素子部と終端部の各々の半導体基板上には、層間絶縁膜が設けられている。半導体装置がオフのとき、終端部の半導体基板には素子部に向けて横方向に電界が加わる。このため、終端部の層間絶縁膜内に存在する可動イオンが横方向に移動し、終端部の電界分布が経時的に変化することが知られている。このような電界分布の変動は、リーク電流の増加及び耐圧変動等の特性変動を生じさせる。したがって、終端部の層間絶縁膜内に存在する可動イオンの移動を抑える技術が必要とされている。
【０００５】
特許文献１は、終端部の層間絶縁膜を貫通する貫通孔内に設けられた金属プラグを開示する。この金属プラグは、ガードリング領域に接しており、ガードリングの電位を安定させるために設けられている。一方、このような金属プラグが終端部の層間絶縁膜に設けられていると、金属プラグを透過できない種類の可動イオンの移動が抑えられる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の半導体装置では、単一材料で構成された金属プラグが貫通孔内に充填されている。このため、この金属プラグを透過可能な種類の可動イオンに対しては、その移動を抑えることができない。
【０００７】
本明細書は、終端部の層間絶縁膜内に存在する複数種類の可動イオンの移動が抑えられた半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する半導体装置は、機能構造が設けられている素子部と終端耐圧構造が設けられている終端部に区画されている半導体基板と、前記素子部と前記終端部の各々の前記半導体基板上に設けられている層間絶縁膜と、前記終端部の前記層間絶縁膜上に設けられている絶縁性の保護膜と、前記終端部の前記層間絶縁膜を貫通する貫通孔内の一部に設けられている金属膜と、を備えることができる。前記保護膜の一部が、前記貫通孔内に侵入するように設けられている。半導体基板の材料としては、特に限定されるものではないが、シリコン、炭化珪素又は窒化物半導体が例示される。機能構造としては、特に限定されるものではないが、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴが例示される。終端耐圧構造としては、特に限定されるものではないが、ＦＬＲ（Field Limiting Ring）とも称されるガードリング領域、ＲＥＳＵＲＦ（Reduced SURface Field）とも称されるリサーフ領域が例示される。
【０００９】
上記半導体装置では、前記金属膜が設けられている前記貫通孔内に前記保護膜の一部が侵入するように設けられている。これにより、前記貫通孔内に設けられている前記金属膜と前記保護膜の一部は、前記層間絶縁膜の面方向を遮るように配置されている。換言すると、前記層間絶縁膜の面方向において２種類の材料の阻止壁が前記貫通孔内に設けられている。このため、上記半導体装置では、オフのときに、前記終端部の前記層間絶縁膜に存在する複数種類の可動イオンの移動が抑えられる。また、上記半導体装置は、前記保護膜の一部を前記貫通孔内に侵入させるようにすることによって容易に製造することができる。このため、上記半導体装置は、製造が容易な構造を有していると評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図２】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図３】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図４】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図５】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図６】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図７】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図８】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図９】本実施形態の半導体装置を製造する一過程の要部断面図を模式的に示す。
【図１０】本実施形態の変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図１１】本実施形態の変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に、半導体基板１０の素子部１０Ａと終端部１０Ｂの境界を含む要部断面図を模式的に示す。また、図１は、半導体基板１０の表面側の一部を示す要部断面図である。図１に示されるように、半導体装置１は、シリコン単結晶からなる半導体基板１０を備えている。半導体基板１０は、素子部１０Ａと終端部１０Ｂに区画されている。終端部１０Ｂは、半導体基板１０の表面に対して直交する方向から見たときに（以下、「平面視したときに」という）、素子部１０Ａの周囲を一巡するように配置されている。なお、この例では、素子部１０Ａと終端部１０Ｂの境界が、後述する保護膜２６の内側端部として定義されている。
【００１２】
半導体基板１０は、ｎ型のドリフト領域１２、ｐ型のボディ領域１４、ｐ+型のボディコンタクト領域１６、及び、複数のｐ型のガードリング領域１８を有している。図示省略されているが、半導体基板１０の素子部１０Ａにはさらに、ｎ+型のドレイン領域、ｎ+型のソース領域、及び、絶縁ゲート等が形成されている。これにより、半導体基板１０の素子部１０Ａには、機能構造としてＭＯＳＦＥＴが形成されている。この例に代えて、半導体基板１０の素子部１０Ａには、ＩＧＢＴ又はダイオード等の機能構造が形成されていてもよい。
【００１３】
ドリフト領域１２は、半導体基板１０の素子部１０Ａと終端部１０Ｂの双方に設けられている。ドリフト領域１２は、素子部１０Ａにおいて電流が縦方向に流れる部分である。また、ドリフト領域１２は、ボディ領域１４及び複数のガードリング領域１８との間でｐｎ接合を構成し、半導体装置１がオフしたときに、空乏層が伸展する領域でもある。ドリフト領域１２は、半導体基板１０に各種の半導体領域を形成した残部である。
【００１４】
ボディ領域１４は、ドリフト領域１２上に配置されており、半導体基板１０の素子部１０Ａに設けられているとともに素子部１０Ａから終端部１０Ｂの一部に延在して設けられている。ボディ領域１４は、素子部１０Ａにおいて、ドリフト領域１２とソース領域（図示省略）を隔てており、絶縁ゲート（図示省略）に印加される電圧に基づいてチャネルが形成される領域である。ボディコンタクト領域１６は、ボディ領域１４上に配置されており、半導体基板１０の素子部１０Ａに設けられている。ボディコンタクト領域１６は、半導体基板１０の表面に露出する位置に設けられている。
【００１５】
複数のガードリング領域１８の各々は、ドリフト領域１２上に配置されており、半導体基板１０の終端部１０Ｂに設けられている。複数のガードリング領域１８の各々は、半導体基板１０の表面に露出する位置に設けられている。複数のガードリング領域１８は、素子部１０Ａから離れる方向（この例では、紙面左右方向）に沿って間隔を置いて配置されている。また、複数のガードリング領域１８の各々は、平面視したときに、素子部１０Ａの周囲を一巡するように配置されている。複数のガードリング領域１８のうちの最内周側のガードリング領域１８は、ボディ領域１４の終端部側の端部に接触している。換言すると、ボディ領域１４が、素子部１０Ａから最内周のガードリング領域１８まで延在して設けられている。この例に代えて、最内周のガードリング領域１８とボディ領域１４が離反して形成されていてもよい。最内周のガードリング領域１８以外のガードリング領域１８の電位はフローティングとなっている。
【００１６】
半導体装置１はさらに、層間絶縁膜２２、ソース電極２４及び保護膜２６を備えている。層間絶縁膜２２は、素子部１０Ａと終端部１０Ｂの各々の半導体基板１０の表面上に設けられている。層間絶縁膜２２の材料は、例えば酸化シリコンである。ソース電極２４は、素子部１０Ａの層間絶縁膜２２の表面上に設けられている。ソース電極２４の材料は、例えばアルミニウムである。保護膜２６は、終端部１０Ｂの層間絶縁膜２２の表面上に設けられている。保護膜２６の材料は、例えばポリイミドである。保護膜２６のうちの素子部１０Ａに対応する範囲に開口が形成されており、その開口からソース電極２４が露出している。
【００１７】
図１に示されるように、層間絶縁膜２２には、ボディコンタクト領域１６に対応する位置に第１貫通孔２２ａが形成されている。この第１貫通孔２２ａには、金属プラグ３２が充填されている。金属プラグ３２の材料は、例えばタングステンである。ボディコンタクト領域１６とソース電極２４は、金属プラグ３２を介して電気的に接続されている。
【００１８】
図１に示されるように、層間絶縁膜２２には、複数のガードリング領域１８の各々に対応する位置に第２貫通孔２２ｂが形成されている。複数の第２貫通孔２２ｂの各々は、平面視したときに、対応するガードリング領域１８に沿って、即ち、素子部１０Ａの周囲を一巡するように形成されている。
【００１９】
第２貫通孔２２ｂには、一対の金属膜３４と保護膜２６の一部である保護膜部分２６ａが充填されている。一対の金属膜３４の材料は、例えばタングステンである。一対の金属膜３４の一方は第２貫通孔２２ｂの一方の側面を被覆しており、一対の金属膜３４の他方は第２貫通孔２２ｂの他方の側面を被覆している。一対の金属膜３４の各々は、対応するガードリング領域１８に接触している。保護膜部分２６ａは、一対の金属膜３４の間に設けられており、対応するガードリング領域１８に接触している。このように、層間絶縁膜２２の面方向（この例では、紙面左右方向）において、一対の金属膜３４と保護膜部分２６ａが隣接して配置されており、保護膜部分２６ａが一対の金属膜３４によって挟まれるように構成されている。
【００２０】
半導体装置１がオフすると、終端部１０Ｂの半導体基板１０には素子部１０Ａに向けて横方向に（この例では、紙面右向きに）電界が加わる。このため、終端部１０Ｂの半導体基板１０上に設けられている層間絶縁膜２２内に存在する可動イオンが横方向に移動する。例えば、終端部１０Ｂの層間絶縁膜２２に何ら対策が施されていないと、可動イオンの移動によって終端部１０Ｂの電界分布が経時的に変化し、リーク電流の増加及び耐圧変動等の特性変動が生じてしまう。
【００２１】
しかしながら、半導体装置１では、終端部１０Ｂの層間絶縁膜２２を貫通するように形成された第２貫通孔２２ｂ内に金属膜３４と保護膜部分２６ａが充填されている。金属膜３４と保護膜部分２６ａは、層間絶縁膜２２をその面方向において遮るように配置されている。換言すると、層間絶縁膜２２の面方向において２種類の材料の阻止壁が第２貫通孔２２ｂ内に設けられている。これにより、可動イオンは、金属膜３４と保護膜部分２６ａの組み合わせを透過することができず、その移動が遮られる。
【００２２】
層間絶縁膜２２内には、複数種類の可動イオンが存在することが知られている。例えば、可動イオンの中には、金属膜３４の材料であるタングステンを透過するものの保護膜部分２６ａの材料であるポリイミドを透過できない種類の可動イオンが存在する。それとは別に、可動イオンの中には、保護膜部分２６ａの材料であるポリイミドを透過するものの金属膜３４の材料であるタングステンを透過できない種類の可動イオンが存在する。半導体装置１では、第２貫通孔２２ｂ内に異なる種類の材料である金属膜３４と保護膜部分２６ａが設けられていることから、複数種類の可動イオンの移動を抑えることができる。特に、金属材料である金属膜３４と絶縁材料である保護膜部分２６ａが用いられていることから、それらの２種類の材料の最適化により、より多くの種類の可動イオンの移動を抑えることができる。
【００２３】
また、半導体装置１では、終端部１０Ｂの層間絶縁膜２２に形成される第２貫通孔２２ｂが、ガードリング領域１８の上方に配置されている。ガードリング領域１８の上方の層間絶縁膜２２は、半導体装置１がオフしたときの横方向の電界が比較的に小さい領域である。このような領域に金属膜３４と保護膜部分２６ａからなる阻止壁が設けられているので、可動イオンの移動を効果的に抑えることができる。
【００２４】
次に、図面を参照して半導体装置１の製造方法を説明する。まず、図２に示されるように、半導体基板１０を準備する。半導体基板１０には、複数種類の半導体領域が形成されている。
【００２５】
次に、図３に示されるように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術を利用して、半導体基板１０の表面上に層間絶縁膜２２を堆積する。
【００２６】
次に、図４に示されるように、フォトリソグラフィー技術及び異方性ドライエッチング技術を利用して、層間絶縁膜２２に第１貫通孔２２ａと複数の第２貫通孔２２ｂを形成する。このとき、第１貫通孔２２ａの幅Ｗ１は、第２貫通孔２２ｂの幅Ｗ２よりも小さい、具体的には、第１貫通孔２２ａの幅Ｗ１は、例えば１μｍよりも小さい。第２貫通孔２２ｂの幅Ｗ２は、例えば１〜３μｍである。
【００２７】
次に、図５に示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、層間絶縁膜２２の表面上に金属層３６を堆積する。第１貫通孔２２ａの幅Ｗ１と第２貫通孔２２ｂの幅Ｗ２の相違により、幅の狭い第１貫通孔２２ａでは金属層３６が完全に充填されており、幅の大きい第２貫通孔２２ｂでは金属層３６が完全に充填されていない。
【００２８】
次に、図６に示されるように、異方性ドライエッチング技術を利用して、層間絶縁膜２２の表面上に堆積した金属層３６をエッチバックして除去する。このとき、金属層３６は、第１貫通孔２２ａ内に完全に充填された状態で金属プラグ３２として残存し、第２貫通孔２２ｂの側面を被覆した状態で金属膜３４として残存する。このように、第１貫通孔２２ａの幅Ｗ１と第２貫通孔２２ｂの幅Ｗ２の相違を利用することにより、第２貫通孔２２ｂの側面に金属膜３４を自己整合的に形成することができる。
【００２９】
次に、図７に示されるように、スパッタ技術を利用して、層間絶縁膜２２の表面上にソース電極２４を堆積する。
【００３０】
次に、図８に示されるように、フォトリソグラフィー技術及びウェットエッチング技術を利用して、ソース電極２４の一部を除去する。
【００３１】
次に、図９に示されるように、層間絶縁膜２２の表面上及びソース電極２４の表面上に保護膜２６を塗布する。このとき、第２貫通孔２２ｂの一対の金属膜３４の間に保護膜２６の一部が侵入するように充填され、保護膜部分２６ａが形成される。
【００３２】
次に、素子部１０Ａに対応する範囲の保護膜２６を除去し、ソース電極２４を露出させると、図１に示す半導体装置１が完成する。上記したように、第２貫通孔２２ｂ及び一対の金属膜３４は、第１貫通孔２２ａを形成する工程及び第１貫通孔２２ａに金属プラグ３２を充填する工程と同時に形成することができる。また、保護膜部分２６ａは、保護膜２６を塗布する工程で同時に形成することができる。このように、半導体装置１は、従来の製造工程を利用して、即ち、専用の工程を付加することなく製造することができる。半導体装置１は、製造が容易な構造を有していると評価することができる。
【００３３】
また、複数種類の可動イオンの移動を抑えるためには、終端部１０Ｂの層間絶縁膜２２に複数の貫通孔を形成し、貫通孔の各々には単一材料の阻止壁を形成し、複数の貫通孔の間で異なる材料の阻止壁を形成することも考えられる。しかしながら、このような構成では、製造工程数が大幅に増加するという問題がある。また、終端部１０Ｂの面積が増大するという問題がある。本実施形態の半導体装置１では、１つの貫通孔２２ｂに複数の阻止壁を設けることで、このような問題にも対策することができる。
【００３４】
図１０に、変形例の半導体装置２の要部断面図を模式的に示す。半導体装置２は、第１阻止膜３７をさらに備えていることを特徴としている。第１阻止膜３７は、チタン又は窒化チタンの薄膜であり、図４の貫通孔２２ａ，２２ｂの形成工程と図５の金属層３６の堆積工程の間に成膜される。このため、第１阻止膜３７は特に、金属プラグ３２と半導体基板１０の間、金属プラグ３２と層間絶縁膜２２の間、金属膜３４と半導体基板１０の間、金属膜３４と層間絶縁膜２２の間に設けられている。第１阻止膜３７は、金属プラグ３２及び金属膜３４の各々の半導体基板１０に対する密着性を高めるとともに、これら金属プラグ３２及び金属膜３４の各々が半導体基板１０側に拡散するのを抑える役割を有している。
【００３５】
図１０に示されるように、第２貫通孔２２ｂ内に第１阻止膜３７が設けられていることにより、層間絶縁膜２２の面方向（この例では、紙面左右方向）において、第２貫通孔２２ｂ内に金属膜３４と保護膜部分２６ａと第１阻止膜３７の３種類の阻止壁が設けられている。このため、半導体装置２は、複数種類の可動イオンの移動をより効果的に抑えることができる。
【００３６】
図１１に、変形例の半導体装置３の要部断面図を模式的に示す。半導体装置３は、第２阻止膜３８をさらに備えていることを特徴としている。第２阻止膜３８は、窒化シリコンの薄膜であり、図８のソース電極２４の加工工程と図９の保護膜２６の塗布工程の間に成膜される。このため、第２阻止膜３８は特に、金属膜３４と保護膜２６の間に設けられている。
【００３７】
図１１に示されるように、第２貫通孔２２ｂ内に第２阻止膜３８が設けられていることにより、層間絶縁膜２２の面方向（この例では、紙面左右方向）において、第２貫通孔２２ｂ内に金属膜３４と保護膜部分２６ａと第２阻止膜３８の３種類の阻止壁が設けられている。このため、半導体装置３は、複数種類の可動イオンの移動をより効果的に抑えることができる。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、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。
【符号の説明】
【００３９】
１      ：半導体装置
１０    ：半導体基板
１０Ａ  ：素子部
１０Ｂ  ：終端部
１２    ：ドリフト領域
１４    ：ボディ領域
１６    ：ボディコンタクト領域
１８    ：ガードリング領域
２２    ：層間絶縁膜
２２ａ  ：第１貫通孔
２２ｂ  ：第２貫通孔
２４    ：ソース電極
２６    ：保護膜
２６ａ  ：保護膜部分
３２    ：金属プラグ
３４    ：金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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