(57)【要約】【課題】半導体装置の特性の安定化を図ることができるとともに、半導体装置の耐圧を向上することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置２の活性領域Ａでは、半導体層４の上側の少なくとも一部に第１絶縁層１８が形成されている。第１絶縁層１８は、半導体層４が有するダングリングボンドを終端させる終端材料を含んでいる。耐圧領域Ｂでは、半導体層４の上側に第１絶縁層と異なる材料からなる第２絶縁層２０が形成されており、第１絶縁層１８は形成されていない。そして、第２絶縁層２０が第１絶縁層１８より絶縁度が高くされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と、その活性領域の外側を一巡する耐圧領域が形成された半導体層を備えている半導体装置であり、
活性領域では、半導体層の上側の少なくとも一部に第１絶縁層が形成されており、その第１絶縁層は半導体層が有するダングリングボンドを終端させる終端材料を含んでおり、
耐圧領域では、半導体層の上側に第１絶縁層と異なる材料からなる第２絶縁層が形成される一方で第１絶縁層が形成されておらず、第２絶縁層が第１絶縁層より絶縁度が高くされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
活性領域では、前記第１絶縁層の上側に前記第２絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２絶縁層は、第１絶縁層が含んでいる終端材料が第２絶縁層側に拡散することを抑制する材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体装置では、耐圧を向上するために、活性領域の外側を一巡するように耐圧領域が形成されている。この種の半導体装置では、半導体層に素子構造を作り込む際に、半導体層中にダングリングボンドが形成される。半導体層中にダングリングボンドが形成されると、半導体装置の特性が不安定となる。例えば、トレンチゲート電極が形成された半導体装置では、ゲートトレンチの内壁面に形成された絶縁膜と半導体層との界面にダングリングボンドが形成されることがある。この界面にダングリングボンドが形成されると、半導体装置の閾値電圧にばらつきが生じる。
上記の問題を解決するために、特許文献１，２の半導体装置では、ダングリングボンドを終端させる終端材料を含んだ絶縁膜（例えば、ＳｉＮ）が、半導体装置の表面を保護する保護膜として用いられている。このような絶縁膜を半導体層の上側に形成することで、半導体装置の表面を保護すると共に、半導体層中のダングリングボンドが終端され、半導体装置の特性の安定化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５３５５９号公報
【特許文献２】特開平９−４５７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１，２に開示された半導体装置では、活性領域と耐圧領域のそれぞれで、半導体層の上側にＳｉＮの絶縁膜が形成されている。ＳｉＮ膜は終端材料を含んでいるため多少の導電性を有し、絶縁性が低い。このため、耐圧領域の上側に形成されたＳｉＮの絶縁膜によって、耐圧領域の耐圧が低下するという問題があった。
本発明は、半導体装置の特性の安定化を図ることができるとともに、半導体装置の耐圧の低下を防止することができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置は、活性領域と、その活性領域の外側を一巡する耐圧領域が形成された半導体層を備えている。活性領域では、半導体層の上側の少なくとも一部に第１絶縁層が形成されており、その第１絶縁層は半導体層が有するダングリングボンドを終端させる終端材料を含んでいる。耐圧領域では、半導体層の上側に第１絶縁層と異なる材料からなる第２絶縁層が形成される一方で第１絶縁層が形成されておらず、第２絶縁層が第１絶縁層より絶縁度が高くされている。
この半導体装置では、活性領域においては、半導体層の上側に終端材料を含む第１絶縁層が形成されているため、活性領域での半導体層中のダングリングボンドが終端され、半導体装置の特性を安定化することができる。一方、耐圧領域においては、半導体層の上側に終端材料を含む第１絶縁層が形成されていないため、耐圧領域での耐圧の低下が防止される。このため、この半導体装置によると、半導体装置の特性の安定化を図ることができるとともに、耐圧の低下を防止することができる。
【０００６】
この半導体装置の活性領域では、さらに、第１絶縁層の上側に第２絶縁層を形成することができる。第１絶縁層の上側に第２絶縁層を形成することで、半導体装置を好適に保護することができる。
また、この第２絶縁層は、第１絶縁層が含んでいる終端材料が第２絶縁層側に拡散することを抑制する材料で形成されていることが好ましい。このように構成すると、第１絶縁層に含まれている終端材料が第２絶縁層側（上側）に拡散することが抑制され、半導体層中のダングリングボンドが終端され易くなる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体装置によると、半導体装置の特性を安定化しつつ、半導体装置の耐圧の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施例のＩＧＢＴの断面図である。
【図２】第１実施例のＩＧＢＴの平面図（ただし、絶縁層及び表面電極等の図示を省略）である。
【図３】第１実施例の第１絶縁層１８の形成パターンを示す模式図である。
【図４】第１実施例のＩＧＢＴの製造工程を示すＩＧＢＴの断面図である。
【図５】第１実施例のＩＧＢＴの製造工程を示すＩＧＢＴの断面図である。
【図６】第１実施例のＩＧＢＴの製造工程を示すＩＧＢＴの断面図である。
【図７】第２実施例の第１絶縁層１８の配置パターンを示す模式図である。
【図８】第３実施例の第１絶縁層１８の形成パターンを示す模式図である。
【図９】第４実施例の第１絶縁層１８の形成パターンを示す模式図である。
【図１０】第５実施例の第１絶縁層１８の形成パターンを示す模式図である。
【図１１】第６実施例の第１絶縁層１８の形成パターンを示す模式図である。
【図１２】第７実施例の第１絶縁層１８の形成パターンを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず、下記に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（特徴１）第１絶縁層は、ＳｉＮである。
（特徴２）第２絶縁層は、終端材料を含まないポリイミドである。
（特徴３）ダングリングボンドの終端材料は、水素イオンである。
（特徴４）半導体装置は、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴである。
【実施例１】
【００１０】
第１実施例に係る半導体装置について説明する。本実施例の半導体装置は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)（以下、ＩＧＢＴという。)である。図１は、第１実施例のＩＧＢＴの概略断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。図２は、第１実施例のＩＧＢＴの平面図である。ただし、図２では、半導体層の上面上に形成される絶縁層及び表面電極等の図示を省略している。図１，２に示すように、本実施例のＩＧＢＴ２は、半導体層４に活性領域Ａと耐圧領域Ｂが形成されている。耐圧領域Ｂは、活性領域Ａの外側を取り囲むように一巡している。
【００１１】
まず、活性領域Ａにおける半導体層４の構造について説明する。図１に示すように、活性領域Ａの半導体層４には、複数のゲートトレンチ１２０が形成されている。ゲートトレンチ１２０の壁面には、ゲート絶縁膜１６が形成されている。ゲート絶縁膜１６内には、トレンチゲート電極１２が形成されている。半導体層４の上面４ａに臨む領域には、ｎ型のエミッタ領域８ｂと、ｐ型のボディコンタクト領域８ａが選択的に形成されている。エミッタ領域８ｂは、ゲート絶縁膜１６と接するように形成されている。ボディコンタクト領域８ａは、２つのエミッタ領域８ｂの間に形成されている。エミッタ領域８ｂとボディコンタクト領域８ａの下側には、ｐ型のボディ層８が形成されている。ボディ層８は、ゲートトレンチ１２０の下端より浅い位置まで形成されている。ボディコンタクト領域８ａ内のｐ型不純物濃度は、ボディ層８内のｐ型不純物濃度よりも高い。ボディ層８の外周側にボディ層８を包むように、ｐ＋型のガードリング１０が形成されている。ボディ層８の下側には、ｎ−型のドリフト層６が形成されている。ｎ−型のドリフト層６は、ボディ層８によってエミッタ領域８ｂから分離されている。ｎ−型のドリフト層６の下側には、ｎ＋型のバッファ層４４が形成されている。ｎ＋型のバッファ層４４は、ｎ−型のドリフト層６によってボディ層８から分離されている。ｎ＋型のバッファ層４４の下側（半導体層４の下面４ｂに臨む領域）には、ｐ＋型のコレクタ層４２が形成されている。コレクタ層４２は、ｎ＋型のバッファ層４４によってｎ−型のドリフト層６から分離されている。
【００１２】
耐圧領域Ｂの半導体層４には、上面４ａ側から順に、ｎ−型のドリフト層６、ｎ＋型のバッファ層４４、及びｐ＋型のコレクタ層４２が形成されている。これらは、それぞれ活性領域Ａのｎ−型のドリフト層６、ｎ＋型のバッファ層４４、及びｐ＋型のコレクタ層４２と同一の不純物濃度となっている。耐圧領域Ｂのｎ−型のドリフト層６には、２個のｐ＋型のガードリング１１が形成されている。ガードリング１１は、活性領域Ａの外側を一巡している（図２参照）。ガードリング１１は、半導体層４の上面４ａから下方に向かって伸びている。ガードリング１１の深さは、活性領域Ａに形成されたガードリング１０の深さと同一の深さとなっている。
【００１３】
次に、半導体層４の上面４ａより上側の構造を説明する。活性領域Ａであって、半導体層４の上面４ａのうち内側のゲートトレンチ１２０（図１の左側の３つのゲートトレンチ１２０）の上部には、絶縁膜１３ａ，１３ｂが形成されている。また、半導体層４の上面４ａのうち内側のゲートトレンチ１２０の上方には、エミッタ電極１４が形成されている。エミッタ電極１４は、アルミニウム電極であり、絶縁膜１３ａ，１３ｂによってトレンチゲート電極１２と絶縁されている。エミッタ電極１４は、エミッタ領域８ｂとボディコンタクト領域８ａに接触している。エミッタ電極１４の上面には第１絶縁層１８が形成されている。第１絶縁層１８は、窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）であり、水素イオンを含有している。第１絶縁層１８に含まれる水素イオンは、半導体層４内のダングリングボンドを終端するために用いられる。図３は、エミッタ電極１４の上面に形成された第１絶縁層１８の形成パターンを示す平面図である。なお、図３では、図の見易さを考慮して、第１絶縁層１８が配された領域にハッチングを施している。図３に示すように、活性領域Ａ内には、第１絶縁層１８が相互に間隔を空けて均等に配置されている。
図１に示すように、エミッタ電極１４上に形成された第１絶縁層１８の上面と側面には、第２絶縁層２０が形成されている。第２絶縁層２０は、ポリイミドから形成され、水素イオンを含有していない。このため、第２絶縁層２０は、第１絶縁層１８より絶縁度が高くされている。また、第２絶縁層２０は、第１絶縁層１８に含まれる水素イオンが第２絶縁層２０側に拡散することを抑制している。すなわち、第１絶縁層１８に含まれる水素イオンは、第２絶縁層２０側よりエミッタ電極１４側に拡散し易くなっている。
【００１４】
活性領域Ａであって、図１の最も右側（耐圧領域Ｂ側）のゲートトレンチ１２０より外側の領域では、半導体層４の上方に絶縁膜１３ｃが形成されている。絶縁膜１３ｃ上には表面ゲート電極１５が形成されている。表面ゲート電極１５はアルミニウム電極である。表面ゲート電極１５は、図１に示す最も右側のトレンチゲート電極１２と導電部１７を介して導通している。導通部１７の上面には絶縁膜１３ｂが形成されている。絶縁膜１３ｂ上には、エミッタ電極１４と表面ゲート電極１５を跨ぐように第１絶縁層１８が形成されている。第１絶縁層１８は、窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）であり、水素イオンを含有している。この第１絶縁層１８の上面と側面にも、第２絶縁層２０が形成されている。第２絶縁層２０は、ポリイミドから形成されており、水素イオンを含有していない。
【００１５】
耐圧領域Ｂにおいては、半導体層４の上面４ａのうち、ガードリング１１が形成されていない領域の上方には、絶縁膜１３ｃが形成されている。ガードリング１１上には、表面電極２２が形成されている。表面電極２２はアルミニウム電極である。表面電極２２及び絶縁膜１３ｃ上には第２絶縁層２０が形成されている。第２絶縁層２０はポリイミドから形成されており、水素イオンを含有していない。
【００１６】
次に、本実施例のＩＧＢＴの製造方法について説明する。まず、ドリフト層６と同一の不純物濃度を有する半導体基板を準備し、その半導体基板に上面側素子構造（すなわち、図１のエミッタ領域８ｂ、ボディコンタクト領域８ａ、ボディ層８、トレンチゲート電極１２、ゲート絶縁膜１６、ガードリング１０，１１、導電部１７、及び、絶縁膜１３ａ，ｂ，ｃ）を形成する。すなわち、半導体基板上に所望のパターンのマスクを形成し、その後、半導体基板の上面側から半導体基板にイオンを注入する。この工程を繰り返す（マスクのパターンは随時変更する）ことによって、エミッタ領域８ｂ、ボディコンタクト領域８ａ、ボディ層８、ガードリング１０，１１を形成する。次に、半導体基板上に所望のパターンのマスクを形成し、その後、半導体基板の上面側からＲＩＥ法によるエッチングを行う。これによって、ゲートトレンチ１２０を形成する。次に、熱酸化法等によってゲート絶縁膜１６を形成する。次に、ＣＶＤ法等によって、ゲートトレンチ１２０内にトレンチゲート電極１２及び導電部１７を形成する。次に、ＣＶＤ法等によって、絶縁膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃを形成する。以上の工程により、半導体基板に上面側素子構造が形成される。
【００１７】
次に、上面側素子構造が形成された半導体基板の下面側に下面側素子構造（すなわち、バッファ層４４、コレクタ層４２）を形成する。具体的には、半導体基板の下面全体に、半導体基板の下面側から不純物を注入し、注入した不純物を活性化する処理を繰り返す。これによって、半導体基板の下面側にバッファ層４４とコレクタ層４２が形成される。上面側素子構造及び下面側素子構造の形成後に残る領域（半導体基板のうちエミッタ領域８ｂ、ボディコンタクト領域８ａ、ボディ層８、トレンチゲート電極１２、ガードリング１０，１１、バッファ層４４、コレクタ層４２以外の領域）がドリフト層６となる。
【００１８】
次に、半導体基板上に表面電極（すなわち、エミッタ電極１４、表面ゲート電極１５、電極２２，２２）を形成する。具体的には、まず、半導体基板上にアルミニウム金属（表面電極の材料）をスパッタリングにより堆積する。次いで、堆積したアルミニウム金属上に所望のパターンのマスク（表面電極１４，１５，２２を形成しない領域に開口が形成されたマスク）を形成し、アルミニウム金属の一部をエッチングにより除去する。エッチング後にマスクを除去すると、図４に示すように表面電極１４，１５，２２が形成される。
【００１９】
次いで、図５に示されるように、表面電極１４，１５，２２が形成された半導体基板の上面全体に第１絶縁層１８を堆積する。具体的には、ＣＶＤ法によって第１絶縁層１８を堆積する。次いで、堆積した第１絶縁層１８上に所望のパターンのマスク（第１絶縁層１８を形成しない領域に開口が形成されたマスク）を形成し、第１絶縁層１８の一部をエッチングにより除去する。エッチング後にマスクを除去すると、図６に示すように、所望のパターンの第１絶縁層１８が形成される。
【００２０】
次いで、上述した第１絶縁膜１８と同様の方法によって、第２絶縁膜２０を形成する。すなわち、ＣＶＤ法等によって半導体基板の上面全体に第２絶縁層２０を堆積し、堆積した第２絶縁層２０上に所望のパターンのマスクを形成し、第２絶縁層２０の一部をエッチングにより除去する。エッチング後にマスクを除去すると、図１に示す状態となる。
【００２１】
ここで、本実施例のＩＧＢＴ２では、第１絶縁層１８及び第２絶縁層２０を形成した後に熱処理を行う。これによって、第１絶縁層１８内に含まれる水素イオンが半導体層４側に拡散する。この際、第1絶縁層１８の上面及び側面を第２絶縁層２０が被覆している。このため、第１絶縁層１８内の水素イオンが第２絶縁層２０側へ拡散することが抑制され、水素イオンが半導体層４側へ拡散し、ゲート絶縁膜１６と半導体層４の界面に水素イオンが効率的に供給される。これにより、ゲート絶縁膜１６と半導体層４の界面のダングリングボンドが終端され、界面準位が低減される。これによって、ＩＧＢＴ２の素子特性が安定化する。
【００２２】
上述したことから明らかなように、本実施例のＩＧＢＴ２では、活性領域Ａ上には第1絶縁層１８が形成され、その第１絶縁層１８の上面及び側面を第２絶縁層２０が被覆している。そのため、活性領域Ａにおいては、半導体層４に効率的に水素イオンが供給され、ゲート絶縁膜１６と半導体層４との界面のダングリングボンドが終端される。これによって、ゲート絶縁膜１６と半導体層４の界面の界面準位が低減され、ＩＧＢＴ２の素子特性が安定化する。
一方、耐圧領域Ｂにおいては、半導体層４の上側には絶縁度の高い第２絶縁層２０のみが形成され、第１絶縁層１８が形成されていない。第２絶縁層２０には終端材料（水素イオン）が含まれないため、半導体層４に終端材料が供給されない。このため、耐圧領域Ｂの耐圧が低下することが防止される。
【００２３】
なお、上述した実施例では、終端材料として水素を用いたが、終端材料には種々の材料を用いることができる。例えば、重水素やフッ素等を用いることができる。
また、上述した実施例では、第1絶縁層１８を窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成したが、第１絶縁層１８を他の材料で形成することができる。例えば、ＳｉＯＮ等によって形成することができる。
さらに、上述した実施例では、第２絶縁層２０をポリイミドで形成したが、第２絶縁層２０は他の材料で形成することができる。例えば、ＳｉＯ等によって形成することができる。
また、上述した実施例では、第１絶縁層１８と第２絶縁層２０が直接的に接していたが、第１絶縁層１８と第２絶縁層２０が直接的に接する必要はない。両者の間に他の層が介在していてもよい。
【００２４】
また、活性領域Ａ上に形成される第1絶縁層１８の形成パターンは、種々の態様を採ることができる。例えば、図７に示すように、活性領域Ａと耐圧領域Ｂの境界線（図中の２点鎖線）に沿って第１絶縁層１８を形成してもよい（第２実施例）。この場合も、第１絶縁層１８は活性領域Ａの上側にのみ形成されている（すなわち、境界線の内側に形成されている）。このような実施例でも、活性領域Ａにおいては、ゲート絶縁膜と半導体層の界面のダングリングボンドが終結されてＩＧＢＴ２の素子特性が安定化する。その一方で、耐圧領域においては、第１絶縁層１８が形成されていないため、耐圧の低下を防止することができる。なお、活性領域Ａの中央部で、第１絶縁層１８が被覆していない領域（表面電極１４）には、ボンディングワイヤ３０が接合されている。
【００２５】
また、図８に示すように、第１絶縁層１８を形成することもできる。図８に示す例では、第１実施例で第１絶縁層１８を形成した領域に第１絶縁層１８を形成せず、第１実施例で第１絶縁層１８を形成していない領域に第１絶縁層を形成している。このような形態によっても、第１実施例のＩＧＢＴ２と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
さらに、図９，１０に示すように、第１絶縁層１８を形成することができる。あるいは、図１１，１２に示すように、第１絶縁層１８を形成することもできる。いずれの場合も、活性領域Ａの上側のみに第１絶縁層１８が形成されているため、素子特性を安定化できるとともに、耐圧領域Ｂの耐圧を高くすることができる。
【００２７】
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様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、上述した各実施例は、本発明をＩＧＢＴに適用した例であったが、本発明は他の半導体装置（例えば、ＭＯＳＦＥＴなど）に適用することができる。本発明をＭＯＳＦＥＴに適用することで、素子特性が安定すると共に耐圧領域の耐圧が高いＭＯＳＦＥＴを提供することができる。
【００２８】
また、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、出願時の請求項に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の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】
【００２９】
Ａ  活性領域
Ｂ  耐圧領域
２  ＩＧＢＴ
４  半導体層
８  ボディ層
１０  ガードリング
１１  ガードリング
１２  トレンチゲート電極
１４  エミッタ電極
１６  ゲート絶縁膜
１８  第１絶縁層
２０  第２絶縁層
２２  表面電極
【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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【図１２】
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