半導体装置およびその製造方法
【課題】本発明は、セルの有効面積を増やし、アンバランス動作等を抑制可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる半導体装置は、第1層間絶縁膜8に覆われない上面を介して、ゲート電極20と接続された、第1ゲート配線5と、第1ゲート配線5の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜8上に形成された、第2層間絶縁膜80と、第2層間絶縁膜80に覆われない上面を介して、第1ゲート配線5と接続された、第2ゲート配線16とを備え、平面視において、第2ゲート配線16の幅は、第1ゲート配線5の幅よりも広い。
【解決手段】本発明にかかる半導体装置は、第1層間絶縁膜8に覆われない上面を介して、ゲート電極20と接続された、第1ゲート配線5と、第1ゲート配線5の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜8上に形成された、第2層間絶縁膜80と、第2層間絶縁膜80に覆われない上面を介して、第1ゲート配線5と接続された、第2ゲート配線16とを備え、平面視において、第2ゲート配線16の幅は、第1ゲート配線5の幅よりも広い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、IGBT等の電力半導体装置の性能向上、品質向上のための電極の構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年IGBT等の半導体装置が様々な用途で用いられ、そのさらなる性能向上、品質向上が望まれている。
【0003】
IGBTの性能向上、品質向上は、セル構造の見直しやウェハ厚みの適正化などを主な手段としてきたが、それらの手段のみでは、向上も限界に近づきつつある。そのため、単位面積当たりの、エミッタ領域の面積の比率を上げること(つまり有効面積を広くし、電流密度を下げる)も性能向上、品質向上のための重要な手段となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−283717号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
例えば特許文献1に示すような、温度センスダイオード付きのIGBTの場合は、温度センスダイオードの電極パッドおよび配線の直下の領域にはエミッタ電極を形成することができず、無効領域となってしまうため、新たに有効面積を拡張する必要があった。
【0006】
有効面積を増やすには電極パッドを小さくし、配線長を短くすることが効果的である。しかし電極パッドは、少なくとも外部と接続(例えばAlワイヤ)する面積(例えば、ワイヤ径)が必要となるため、面積の縮小には限界がある。
【0007】
また、半導体装置に備えられたゲート電極のゲート抵抗が大きいと、チップ動作のばらつきが生じ、一部のチップに電流が集中してしまうアンバランス動作が生じてしまうという問題があった。
【0008】
本発明は上記の問題を解決するために考案されたものであり、セルの有効面積を増やしつつ、アンバランス動作等を抑制可能な半導体装置およびその製造方法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】
【0009】
本発明にかかる半導体装置は、複数のセルの個別ゲート電極と接続する、絶縁膜上に選択的に形成された、ゲート電極と、前記ゲート電極の、上面の一部を除く領域を覆って、前記絶縁膜上に形成された、第1層間絶縁膜と、前記第1層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記ゲート電極と接続された、第1ゲート配線と、前記第1ゲート配線の、上面の一部を除く領域を覆って、前記第1層間絶縁膜上に形成された、第2層間絶縁膜と、前記第2層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記第1ゲート配線と接続された、第2ゲート配線とを備え、平面視において、前記第2ゲート配線の幅は、前記第1ゲート配線の幅よりも広い。
【発明の効果】
【0010】
本発明にかかる半導体装置によれば、第1層間絶縁膜に覆われない上面を介して、ゲート電極と接続された、第1ゲート配線と、第1ゲート配線の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜上に形成された、第2層間絶縁膜と、第2層間絶縁膜に覆われない上面を介して、第1ゲート配線と接続された、第2ゲート配線とを備え、平面視において、第2ゲート配線の幅は、第1ゲート配線の幅よりも広いことにより、IGBTチップ内の寄生ゲート抵抗値を低減し、アンバランス動作を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明による実施の形態1の電極パッドを形成後の製造工程図である。
【図2】本発明による実施の形態1の上主面図である。
【図3】本発明による実施の形態1の、温度センスダイオードの断面図である。
【図4】本発明による実施の形態1の第1ゲート配線直上に形成されている第2ゲート配線の断面図である。
【図5】本発明による実施の形態2の上主面図である。
【図6】本発明による実施の形態2の第1ゲート配線直上に形成されている第2エミッタ電極の断面図である。
【図7】本発明による実施の形態3の、終端領域の断面図である。
【図8】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図9】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図10】本発明による実施の形態3の、終端領域の断面図である。
【図11】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図12】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図13】本発明による実施の形態4の上主面図である。
【図14】本発明による実施の形態4の、第3エミッタ電極の断面図である。
【図15】前提技術としての温度センスダイオード付きIGBTの上主面図である。
【図16】前提技術としての、温度センスダイオード付きIGBTの温度センスダイオードの断面図である。
【図17】前提技術としてのIGBTの、第1ゲート配線の断面図である。
【図18】前提技術としてのIGBTの、終端領域の断面図である。
【図19】前提技術としてのIGBTの、終端領域の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
<A.実施の形態1>
図15は、本発明の前提技術としてのIGBTチップの上主面を示したものである。
【0013】
平面視において、第1エミッタ電極2が形成されたセル領域を第1ゲート配線5で囲み、その外側の領域は、終端領域1となる。セル領域とは、IGBT等の単位素子(セル)が複数配列された領域を指す。
【0014】
第1エミッタ電極2が形成された領域内においては、中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0015】
また、第1エミッタ電極2が形成された領域内においても、第1ゲート電極パッド7に接続された複数の第1ゲート配線5が配列されている。
【0016】
第1ゲート電極パッド7、第1ゲート配線5は、同一電極を利用し、選択的にエッチングすることで構成されている。
【0017】
第1ゲート電極パッド7は、外部からのゲート電圧を伝える、例えばワイヤボンドする電極パッドとして構成される。第1ゲート配線5は、第1ゲート電極パッド7から分配されて配置され、並列に接続されたIGBTセルにゲート電圧を印加する。
【0018】
また第1エミッタ電極2は、エミッタ電流(主電流)を流すための領域であり、第1エミッタ電極2の下には、並列接続されたIGBTセルが構成されている。
【0019】
温度センスダイオード3は、ダイオードの電圧降下で素子の発熱温度を検知しており、最大定格温度を超えた時に、IGBTをオフさせ、チップを熱破壊から保護する機能を有している。
【0020】
また、終端領域1は、ゲート電圧がOFF時にコレクタ・エミッタ間に掛かる電圧を保持するために構成された領域である。
【0021】
図16は、図15におけるA−A’断面の断面図である。図に示すように、n−基板9上に層間絶縁膜801が形成され、さらに層間絶縁膜801上に、温度センスダイオード3の配線4が配置されている。
【0022】
図17は、図15におけるG−G’断面の断面図である。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成され、pウェル層10上に、酸化膜22が選択的に形成される。
【0023】
酸化膜22上には、ゲート電極20が配置され、ゲート電極20を挟んで層間絶縁膜8が形成される。ここで、層間絶縁膜8は、ゲート電極20の上面の一部を除いて、ゲート電極20を覆うように形成される。またゲート電極20は、図15に示すゲート配線5と同様のレイアウトで形成され、すなわち、図15の上下方向およびセル領域を囲むように形成される。
【0024】
さらに、ゲート電極20の、層間絶縁膜8に覆われない上面を介して、第1ゲート配線5が接続される。
【0025】
また、pウェル層10上には、酸化膜22および層間絶縁膜8を挟むように第1エミッタ電極2が形成されている。
【0026】
図18は、図15におけるB−B’断面の断面図である。当該図は、フローティングのpウェル10をリング状に複数本配置したガードリング構造を示したものである。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成されるが、終端領域1においては、平面視において、第1エミッタ電極2が形成された領域を囲む、複数のリング状のpウェル層10が形成される。また最外周には、チャネルストッパ12が形成される。
【0027】
各pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成される。第1フィールドプレート電極11は、例えばアルミで形成することが可能である。
【0028】
図19は、図15におけるB−B’断面の別の態様である。当該図は、容量結合を利用したフィールドプレート構造を示したものである。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成され、最外周には、チャネルストッパ12が形成される。
【0029】
pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成される。また、pウェル層10とチャネルストッパ12との間に領域にも、層間絶縁膜800を介して、第1フィールドプレート電極11がリング状に複数形成される。第1フィールドプレート電極11は、例えばポリシリコンで形成することが可能である。
【0030】
さらに、第1フィールドプレート電極11上に、層間絶縁膜81を介して(一部接続して)第3フィールドプレート電極210が形成される。
【0031】
上記のような半導体装置においては、図16のように、温度センスダイオードの電極パッドおよび配線の直下の領域にはエミッタ電極を形成することができず、無効領域となってしまうため、新たに有効面積を拡張する必要があった。
【0032】
なお、温度センスダイオードの電極パッドおよび配線の直下以外の領域については、図示しない個別ゲート電極が、図15の左右方向に延在するストライプ状に形成され、複数列に配列されている。個別ゲート電極は、ゲート電極20と交差する箇所において、ゲート電極20と接続される。
【0033】
有効面積を増やすには電極パッドを小さくし、配線長を短くすることが効果的である。しかし電極パッドは、少なくとも外部と接続(例えばAlワイヤ)する面積(例えば、ワイヤ径)が必要となるため、面積の縮小には限界があった。
【0034】
また温度センスダイオードは、一般的に、半導体チップで最も高く発熱するチップ中心付近に配置することが望ましく、半導体チップの端部分に配置した場合、検出感度が低下するという問題があった。
【0035】
また、半導体装置に備えられたゲート電極のゲート抵抗が大きいと、チップ動作のばらつきが生じ、一部のチップに電流が集中してしまうアンバランス動作が生じてしまうという問題があった。
【0036】
また近年、トランスファーモールド技術を応用した製品が多くあるが、モールド樹脂と半導体チップの熱膨張係数の差により、モールド樹脂からの応力によって半導体上に構成される配線がスライドするという問題があった。その対策のひとつとして、電極厚みの薄膜化を行い、段差を減らすことによる応力緩和が挙げられるが、前述するようにゲート配線幅(断面積)の制約があり、ワイヤボンドで電極と構成する際にセル部へのダメージが懸念されるため、限界値が存在する。また、ポリイミドコーティングによる配線の保護があるが、コストアップの要因となる。
【0037】
以下の実施の形態では、上記のような問題を解決可能な半導体装置について説明する。
【0038】
<A−1.構成>
図1は、実施の形態1にかかる、電極パッド形成後の製造工程図である。後述する図2の下層に当たる上主面であり、平面視において、第1エミッタ電極2が形成された領域を第1ゲート配線5で囲み、第1ゲート配線5で囲んだ領域をセル領域とする。セル領域の外側の領域は、終端領域1となる。
【0039】
第1エミッタ電極2が形成されたセル領域内においては、その中央部に温度センスダイオード3が配置される。
【0040】
また、セル領域内においても、第1ゲート電極パッド7に接続された複数の第1ゲート配線5が配列されている。
【0041】
図2は、本発明の実施の形態1にかかる、半導体装置としてのIGBTの上主面を示したものであり、図1の状態からさらに製造工程が進んだ状態を示すものである。
【0042】
平面視において、第1エミッタ電極2の上層に当たる第2エミッタ電極15が形成されたセル領域を第2ゲート配線16で囲み、その外側の領域は終端領域1となる。第2ゲート配線16も、第1ゲート配線5の上層に当たるものである。第2エミッタ電極15を形成することにより、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化し、アンバランス動作を抑制できる。
【0043】
第2エミッタ電極15が形成されたセル領域内においては、その中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0044】
また、セル領域内においても、第2ゲート電極パッド17に接続された複数の第2ゲート配線16が配列されている。
【0045】
図3は、図2のC−C’断面の断面図である。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10(pベース層)が形成され、pウェル層10(pベース層)表面からn−基板9内に延在して個別ゲート電極200が形成される。
【0046】
なお、温度センスダイオード3の電極パッド6および配線4の直下以外の領域については、図示しない個別ゲート電極200が、図1の左右方向に延在するストライプ状に形成され、複数列に配列されている。個別ゲート電極200は、ゲート電極20と交差する箇所において、ゲート電極20と接続される。
【0047】
さらにpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を挟んで、各セルのエミッタ層としてのn+エミッタ層18が形成される。またpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を覆って、第4層間絶縁膜としての層間絶縁膜82が形成される。
【0048】
また、層間絶縁膜82を含むpウェル層10を覆って、第1エミッタ電極2が形成される。第1エミッタ電極2上には、第5層間絶縁膜としての層間絶縁膜83が選択的に形成される。第1エミッタ電極2下には、MOSトランジスタが形成される。なお、図示しない断面において、第1エミッタ電極2は、n+エミッタ層18と接続される。
【0049】
層間絶縁膜83上には、温度センスダイオード3の配線4が選択的に配置される。なお、温度センスダイオード3の電極パッド6が、層間絶縁膜83上に配置される断面においては、温度センスダイオード3の配線4の代わりに電極パッド6が配置されたものとなる。
【0050】
図15に示した半導体装置の場合では、電極パッド6および配線4でエミッタ電極の有効面積が削られるが、本実施の形態1では、配線4の直下にもMOSトランジスタを配置することができ、有効面積の減少を防止することができる。
【0051】
このように実施の形態1では、温度センスダイオード3の電極パッド6および配線4の下にMOSトランジスタを形成することが出来るので、無効面積を最小限にすることが可能になる効果が得られる。
【0052】
図4に、図2のD−D’断面の断面図を示す。図に示すように本発明にかかる半導体装置は、n−基板9上に形成されたpウェル層10と、pウェル層10表面に選択的に形成された、絶縁膜としての酸化膜22と、酸化膜22上に選択的に形成されたゲート電極20とを備える。ゲート電極20は、複数のセルの個別ゲート電極200と接続する。またゲート電極20は、図1に示すゲート配線5と同様のレイアウトで形成され、すなわち、図1の上下方向およびセル領域を囲むように形成される。
【0053】
また、ゲート電極20の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜としての層間絶縁膜8が形成される。層間絶縁膜8は、デポなどの方法で選択的にエッチングを行って、酸化膜22上に形成する。層間絶縁膜8に覆われない上面の一部を介して、ゲート電極20と第1ゲート配線5とが接続される。第1ゲート配線5は、アルミなどの導電性材料をスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして形成する。
【0054】
第1ゲート配線5の、上面の一部を除く領域を覆って、第2層間絶縁膜としての層間絶縁膜80が形成される。層間絶縁膜80は、層間絶縁膜8上に形成される。層間絶縁膜80に覆われない上面の一部を介して、第1ゲート配線5と第2ゲート配線16とが接続される。
【0055】
ここで第2ゲート配線16の幅は、平面視において、第1ゲート配線5の幅よりも広く形成することができる。
【0056】
また、層間絶縁膜8を介して、ゲート電極20、第1ゲート配線5を挟むように第1エミッタ電極2、第1フィールドプレート電極11を形成することができる。第1エミッタ電極2が形成される図面左側が、セル領域に対応する。さらに、第1エミッタ電極2、第1フィールドプレート電極11それぞれの上層に、第2エミッタ電極15、第2フィールドプレート電極21を形成することが可能である。第2エミッタ電極15を形成する場合には、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化することができ、アンバランス動作を抑制できる。また、第2フィールドプレート電極21を形成する場合には、耐圧を安定化させることが可能となる。
【0057】
ここでアンバランス動作とは、ゲート抵抗が大きい場合に、チップ動作のばらつきが生じ、一部のチップに電流が集中しやすくなる動作をいう。
【0058】
図4に示す構造では、第1ゲート配線5でゲートの電位を伝えるのに必要な幅を設定し、第1ゲート配線5と接続される第2ゲート配線16の幅を、第1ゲート配線5の幅より広く形成して、ゲート抵抗を設定する。よって、第2ゲート配線16でゲート抵抗を設定できるため、IGBTチップ内の寄生ゲート抵抗値の低減が可能となり、アンバランス動作を抑制することができる。
【0059】
なお、図4に示す構造における、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15、第2フィールドプレート電極21を形成する工程で、図3に示す構造における、電極パッド6、および、配線4を形成することができる。
【0060】
また、個別ゲート電極200とゲート電極20とは、同一の工程で形成可能であり、層間絶縁膜8と層間絶縁膜82、層間絶縁膜80と層間絶縁膜83は、同一の工程で形成可能である。
【0061】
<A−2.効果>
本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第1層間絶縁膜8に覆われない上面を介して、ゲート電極20と接続された、第1ゲート配線5と、第1ゲート配線5の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜8上に形成された、第2層間絶縁膜80と、第2層間絶縁膜80に覆われない上面を介して、第1ゲート配線5と接続された、第2ゲート配線16とを備え、平面視において、第2ゲート配線16の幅は、第1ゲート配線5の幅よりも広いことで、IGBTチップ内の寄生ゲート抵抗値を低減し、アンバランス動作を抑制することができる。
【0062】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、個別ゲート電極200に隣接して形成された、各セルのエミッタ層としてのn+エミッタ層18と、個別ゲート電極200を覆って形成された、第4層間絶縁膜82と、第4層間絶縁膜82上にn+エミッタ層18と接続されて形成された、第1エミッタ電極2と、第1エミッタ電極2上に形成された、第5層間絶縁膜83と、第5層間絶縁膜83上に配置された、温度センスダイオード3の電極パッド6、および/または、温度センスダイオード3の配線4とをさらに備えることで、温度センスダイオード3の電極パッド6、配線4の直下において無効領域が形成されてしまうことを抑制し、半導体装置の有効面積を拡張することができる。
【0063】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第1エミッタ電極2上に形成された、第2エミッタ電極15をさらに備えることで、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化でき、アンバランス動作、発振の抑制や、ワイヤボンディング性の向上が期待できる。
【0064】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、温度センスダイオード3の電極パッド6、および、温度センスダイオード3の配線4が、第2ゲート配線16、および、第2エミッタ電極15を形成する工程で形成されることで、工程数を削減し、作業効率を向上させることができる。
【0065】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第1ゲート配線5、第1エミッタ電極2および第1フィールドプレート電極11は、同一工程で形成されることで、工程数を削減し、作業効率を向上させることができる。
【0066】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15および第2フィールドプレート電極21は、同一工程で形成されることで、工程数を削減し、作業効率を向上させることができる。
【0067】
<B.実施の形態2>
<B−1.構成>
図5に本発明の実施の形態2にかかる、半導体装置の上主面図を示す。平面視において、第2エミッタ電極15が形成されたセル領域を第2ゲート配線16で囲み、セル領域の外側は、終端領域1となる。
【0068】
第2エミッタ電極15が形成された領域内においては、中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0069】
図6には、図5のE−E’断面の断面図を示す。当該図は、終端領域1にかからない領域での断面図であるので、フィールドプレート電極は示されていない。
【0070】
図に示すように、層間絶縁膜80は、第1ゲート配線5を少なくとも部分的に覆って形成され(図6においては第1ゲート配線5上を覆っている)、第2エミッタ電極15は、図4に示す場合とは異なり、第2ゲート配線16に代わり、層間絶縁膜80上を含む領域を覆って形成される。
【0071】
このように構成することによって、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化することによるアンバランス動作、発振の抑制や、ワイヤボンディング性の向上が可能になる。
【0072】
<B−2.効果>
本発明にかかる実施の形態2によれば、半導体装置において、第2層間絶縁膜80は、第1ゲート配線5を少なくとも部分的に覆って形成され、第2エミッタ電極15は、部分的箇所において、第2ゲート配線16に代わり第2層間絶縁膜80上を含む領域を覆って形成されることで、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化することができ、アンバランス動作、発振の抑制や、ワイヤボンディング性の向上が期待できる。
【0073】
<C.実施の形態3>
<C−1.構成1>
図7は図2のH−H’断面の断面図を示す。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成されるが、終端領域1においては、平面視において、第1エミッタ電極2が形成された領域を囲む、複数のリング状のpウェル層10が形成される。また最外周には、チャネルストッパ12が形成される。なお、図においては複数のpウェル層10がリング状に形成されているが、1つのpウェル層10が形成され、リング形状が形成される場合であってもよい。
【0074】
各pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成される。第1フィールドプレート電極11は、複数のセルが形成されたセル領域を、平面視において囲むように形成される。
【0075】
さらに、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81で、第1フィールドプレート電極11を覆うが、層間絶縁膜81で覆わない第1フィールドプレート電極11を残し、その第1フィールドプレート電極11上に、第1フィールドプレート電極11と接続された第2フィールドプレート電極21を形成する。
【0076】
図に示すように、第2フィールドプレート電極21の厚さは、第1フィールドプレート電極11の厚さよりも厚いことが望ましい。
【0077】
さらに、第2フィールドプレート電極21、層間絶縁膜81を覆って、保護膜23を形成することができる。
【0078】
図8、9は、図7に示した半導体装置の製造方法を示した図である。
【0079】
まずn−基板9に、選択的に電圧印加時に空乏層を伸ばすpウェル層10、最外周で空乏層を止めるチャネルストッパ12を形成し、デポなどの方法で層間絶縁膜800を形成する(図8)。
【0080】
その後、アルミなどの導電性材料をスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして第1フィールドプレート電極11を形成し(図8)、次に同様の方法で層間絶縁膜81を形成し、選択的に第2フィールドプレート電極21を作製する(図9)。
【0081】
このようにして、第1フィールドプレート電極11と第2フィールドプレート電極21を用い、終端構造で耐圧を保持できる。
【0082】
ここで、本発明にかかる半導体装置では、終端領域1の電位接地のための電極である第1フィールドプレート電極11と、ワイヤボンディング性向上のための電極である第2フィールドプレート電極21とを別の工程で作製している。
【0083】
図15に示す、本発明の前提技術にかかる半導体装置の場合には、終端領域1の電位接地のための電極と、ワイヤボンディング性向上のための厚いAl電極とを同時に作製している。このため、モールド樹脂に埋めこまれたデバイスでは、モールドとSi、およびアルミの熱膨張率の違いで、終端構造のフィールドプレート電極(Al)が、経時的に剥がれる(スライドする)という問題がある。しかし本発明では、上記のように、第2フィールドプレート電極21が別工程で形成されるので、終端構造の第2フィールドプレート電極21の薄厚化によるスライド現象の発生を抑制することができる。
【0084】
ここで、第1ゲート配線5、第1エミッタ電極2および第1フィールドプレート電極11は、同一工程で形成することが可能である。
【0085】
また、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15および第2フィールドプレート電極21も、同一工程で形成することができる。
【0086】
このようにする場合には、工程数を削減し、コスト低減、効率向上の効果が得られる。
【0087】
更に他の第2フィールドプレート電極21上に水分・ストレス・不純物等から保護する、窒化ケイ素のような半絶縁性の保護膜23を構成する(図7)。このようにして、耐圧の安定化およびモールドの応力による電極変形防止の効果が得られる。
【0088】
<C−2.構成2>
図10は図2のH−H’断面の変形例を示す。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成される。また最外周には、チャネルストッパ12が形成される。なお、図においては複数のpウェル層10がリング状に形成されているが、1つのpウェル層10が形成され、リング形状が形成される場合であってもよい。
【0089】
各pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成され、pウェル層10が形成された領域からチャネルストッパ12が形成された領域にかけて、層間絶縁膜800上に複数の第1フィールドプレート電極11が形成される。
【0090】
層間絶縁膜81で第1フィールドプレート電極11を覆い、さらに第3フィールドプレート電極210を複数形成する。第3フィールドプレート電極210は、例えば、セル領域を囲むリング形状である。また第3フィールドプレート電極210は、平面視において、第1フィールドプレート電極11と一部オーバーラップするように形成される。このように形成することで、半導体装置の耐圧を安定化することができる。
【0091】
さらに、第3フィールドプレート電極210、層間絶縁膜81を覆って、保護膜23を形成する。
【0092】
図11、12は、図10に示した半導体装置の製造方法を示した図である。
【0093】
まずn−基板9に、選択的に電圧印加時に空乏層を伸ばすpウェル10、最外周で空乏層を止めるチャネルストッパ12を形成し、デポなどの方法で層間絶縁膜800を形成する(図11)。
【0094】
その後、アルミなどの導電性材料をスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして第1フィールドプレート電極11を形成し(図11)、次に同様の方法で層間絶縁膜81を形成し、選択的に第3フィールドプレート電極210を形成し、容量結合する(図12)。
【0095】
なお、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15および第2フィールドプレート電極210は、同一工程で形成することができる。
【0096】
図19に示す本発明にかかる半導体装置の場合、ゲート電極20を形成するポリシリコンで第1フィールドプレート電極11を形成していたため、製造上での制約があった。しかし本実施の形態では、第1フィールドプレート電極11を第1エミッタ電極2で、第2フィールドプレート電極21を第2エミッタ電極15で作製することができる。よって、製造上の制約を受けることなく、終端構造を作製することが出来る。
【0097】
<C−3.効果>
本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、複数のセルが形成されたセル領域を、平面視において囲む、第1フィールドプレート電極11と、第1フィールドプレート電極11の、上面の一部を除く領域を覆う、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81と、層間絶縁膜81に覆われない上面の一部を介して、第1フィールドプレート電極11と接続された、第2フィールドプレート電極21とをさらに備えることで、半導体装置の耐圧が安定化する。
【0098】
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、第2フィールドプレート電極21の厚さは、第1フィールドプレート電極11の厚さよりも厚いことで、終端構造の第2フィールドプレート電極21の薄厚化による、スライド現象の発生を抑制することができる。
【0099】
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81上に形成され、平面視においてセル領域を囲む、第3フィールドプレート電極210をさらに備え、第3フィールドプレート電極210は、平面視において、第1フィールドプレート電極11と一部オーバーラップすることで、半導体装置の耐圧が安定化する。
【0100】
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81上に形成された、保護膜23をさらに備えることで、半導体装置の耐圧が安定化する。また、モールドの応力による電極変形を抑制できる。
【0101】
<D.実施の形態4>
<D−1.構成>
図13に、本発明の実施の形態4にかかる、半導体装置の上主面図を示す。平面視において、第3エミッタ電極24が形成されたセル領域を第2ゲート配線16で囲み、その外側の領域は、終端領域1となる。
【0102】
第3エミッタ電極24が形成された領域内においては、中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0103】
図14には、図13のF−F’断面の断面図を示す。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10(pベース層)が形成され、pウェル層10(pベース層)表面からn−基板9内に延在して個別ゲート電極200が形成される。
【0104】
さらにpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を挟んで、n+エミッタ層18が形成される。またpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を覆って、層間絶縁膜82が形成される。
【0105】
また、層間絶縁膜82を含むpウェル層10を覆って、第1エミッタ電極2が形成される。第1エミッタ電極2下には、MOSトランジスタが形成される。
【0106】
第1エミッタ電極2上には第2エミッタ電極15が形成され、さらに上層に、半田接合が可能な第3エミッタ電極24が形成される。
【0107】
第3エミッタ電極24は、3層に分かれたものを用いることができ、例えば、第3エミッタ電極25(Ti)、第3エミッタ電極26(Ni)、第3エミッタ電極27(Au)とすることができる。各電極はスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして構成する。
【0108】
チップ表面電極上にはんだ付けすると、通電時のオン抵抗低減や、ワイヤボンド法に比べチップとの接合面が剥離するまでの寿命を向上させることができる。一般的に、半田付けにおいても、チップ表面のゲート配線は半田付けの自由度を阻害するが、本実施の形態4では、第1ゲート配線5の上を、層間絶縁膜8を介して第2エミッタ電極15が覆う構造となっているため、半田付けの自由度が上昇する。
【0109】
このように本実施の形態では、半田付けの自由度を上げるとともに、通電時のオン抵抗低減やパッケージのモールドの応力による電極変形を防止する効果が得られる。
【0110】
<D−2.効果>
本発明にかかる実施の形態4によれば、半導体装置において、第2エミッタ電極15上に形成された、半田接合が可能な第3エミッタ電極24をさらに備えることで、半導体装置の耐圧が安定化する。また、モールドの応力による電極変形を抑制できる。
【0111】
また、本発明にかかる実施の形態4によれば、半導体装置において、第3エミッタ電極25、26、27は、Ti/Ni/Auの電極によって構成されることで、さらに、半導体装置の耐圧が安定化する。また、モールドの応力による電極変形を抑制できる。
【0112】
本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
【符号の説明】
【0113】
1 終端領域、2 第1エミッタ電極、3 温度センスダイオード、4 配線、5 第1ゲート配線、6 電極パッド、7 第1ゲート電極パッド、8,80〜83,800,801 層間絶縁膜、9 n−基板、10 pウェル層、11 第1フィールドプレート電極、12 チャネルストッパ、15 第2エミッタ電極、16 第2ゲート配線、17 第2ゲート電極パッド、18 n+エミッタ層、20 ゲート電極、21 第2フィールドプレート電極、22 酸化膜、23 保護膜、24〜27 第3エミッタ電極、200 個別ゲート電極、210 第3フィールドプレート電極。
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、IGBT等の電力半導体装置の性能向上、品質向上のための電極の構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年IGBT等の半導体装置が様々な用途で用いられ、そのさらなる性能向上、品質向上が望まれている。
【0003】
IGBTの性能向上、品質向上は、セル構造の見直しやウェハ厚みの適正化などを主な手段としてきたが、それらの手段のみでは、向上も限界に近づきつつある。そのため、単位面積当たりの、エミッタ領域の面積の比率を上げること(つまり有効面積を広くし、電流密度を下げる)も性能向上、品質向上のための重要な手段となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−283717号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
例えば特許文献1に示すような、温度センスダイオード付きのIGBTの場合は、温度センスダイオードの電極パッドおよび配線の直下の領域にはエミッタ電極を形成することができず、無効領域となってしまうため、新たに有効面積を拡張する必要があった。
【0006】
有効面積を増やすには電極パッドを小さくし、配線長を短くすることが効果的である。しかし電極パッドは、少なくとも外部と接続(例えばAlワイヤ)する面積(例えば、ワイヤ径)が必要となるため、面積の縮小には限界がある。
【0007】
また、半導体装置に備えられたゲート電極のゲート抵抗が大きいと、チップ動作のばらつきが生じ、一部のチップに電流が集中してしまうアンバランス動作が生じてしまうという問題があった。
【0008】
本発明は上記の問題を解決するために考案されたものであり、セルの有効面積を増やしつつ、アンバランス動作等を抑制可能な半導体装置およびその製造方法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】
【0009】
本発明にかかる半導体装置は、複数のセルの個別ゲート電極と接続する、絶縁膜上に選択的に形成された、ゲート電極と、前記ゲート電極の、上面の一部を除く領域を覆って、前記絶縁膜上に形成された、第1層間絶縁膜と、前記第1層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記ゲート電極と接続された、第1ゲート配線と、前記第1ゲート配線の、上面の一部を除く領域を覆って、前記第1層間絶縁膜上に形成された、第2層間絶縁膜と、前記第2層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記第1ゲート配線と接続された、第2ゲート配線とを備え、平面視において、前記第2ゲート配線の幅は、前記第1ゲート配線の幅よりも広い。
【発明の効果】
【0010】
本発明にかかる半導体装置によれば、第1層間絶縁膜に覆われない上面を介して、ゲート電極と接続された、第1ゲート配線と、第1ゲート配線の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜上に形成された、第2層間絶縁膜と、第2層間絶縁膜に覆われない上面を介して、第1ゲート配線と接続された、第2ゲート配線とを備え、平面視において、第2ゲート配線の幅は、第1ゲート配線の幅よりも広いことにより、IGBTチップ内の寄生ゲート抵抗値を低減し、アンバランス動作を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明による実施の形態1の電極パッドを形成後の製造工程図である。
【図2】本発明による実施の形態1の上主面図である。
【図3】本発明による実施の形態1の、温度センスダイオードの断面図である。
【図4】本発明による実施の形態1の第1ゲート配線直上に形成されている第2ゲート配線の断面図である。
【図5】本発明による実施の形態2の上主面図である。
【図6】本発明による実施の形態2の第1ゲート配線直上に形成されている第2エミッタ電極の断面図である。
【図7】本発明による実施の形態3の、終端領域の断面図である。
【図8】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図9】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図10】本発明による実施の形態3の、終端領域の断面図である。
【図11】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図12】本発明による実施の形態3の、終端領域の製造工程図である。
【図13】本発明による実施の形態4の上主面図である。
【図14】本発明による実施の形態4の、第3エミッタ電極の断面図である。
【図15】前提技術としての温度センスダイオード付きIGBTの上主面図である。
【図16】前提技術としての、温度センスダイオード付きIGBTの温度センスダイオードの断面図である。
【図17】前提技術としてのIGBTの、第1ゲート配線の断面図である。
【図18】前提技術としてのIGBTの、終端領域の断面図である。
【図19】前提技術としてのIGBTの、終端領域の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
<A.実施の形態1>
図15は、本発明の前提技術としてのIGBTチップの上主面を示したものである。
【0013】
平面視において、第1エミッタ電極2が形成されたセル領域を第1ゲート配線5で囲み、その外側の領域は、終端領域1となる。セル領域とは、IGBT等の単位素子(セル)が複数配列された領域を指す。
【0014】
第1エミッタ電極2が形成された領域内においては、中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0015】
また、第1エミッタ電極2が形成された領域内においても、第1ゲート電極パッド7に接続された複数の第1ゲート配線5が配列されている。
【0016】
第1ゲート電極パッド7、第1ゲート配線5は、同一電極を利用し、選択的にエッチングすることで構成されている。
【0017】
第1ゲート電極パッド7は、外部からのゲート電圧を伝える、例えばワイヤボンドする電極パッドとして構成される。第1ゲート配線5は、第1ゲート電極パッド7から分配されて配置され、並列に接続されたIGBTセルにゲート電圧を印加する。
【0018】
また第1エミッタ電極2は、エミッタ電流(主電流)を流すための領域であり、第1エミッタ電極2の下には、並列接続されたIGBTセルが構成されている。
【0019】
温度センスダイオード3は、ダイオードの電圧降下で素子の発熱温度を検知しており、最大定格温度を超えた時に、IGBTをオフさせ、チップを熱破壊から保護する機能を有している。
【0020】
また、終端領域1は、ゲート電圧がOFF時にコレクタ・エミッタ間に掛かる電圧を保持するために構成された領域である。
【0021】
図16は、図15におけるA−A’断面の断面図である。図に示すように、n−基板9上に層間絶縁膜801が形成され、さらに層間絶縁膜801上に、温度センスダイオード3の配線4が配置されている。
【0022】
図17は、図15におけるG−G’断面の断面図である。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成され、pウェル層10上に、酸化膜22が選択的に形成される。
【0023】
酸化膜22上には、ゲート電極20が配置され、ゲート電極20を挟んで層間絶縁膜8が形成される。ここで、層間絶縁膜8は、ゲート電極20の上面の一部を除いて、ゲート電極20を覆うように形成される。またゲート電極20は、図15に示すゲート配線5と同様のレイアウトで形成され、すなわち、図15の上下方向およびセル領域を囲むように形成される。
【0024】
さらに、ゲート電極20の、層間絶縁膜8に覆われない上面を介して、第1ゲート配線5が接続される。
【0025】
また、pウェル層10上には、酸化膜22および層間絶縁膜8を挟むように第1エミッタ電極2が形成されている。
【0026】
図18は、図15におけるB−B’断面の断面図である。当該図は、フローティングのpウェル10をリング状に複数本配置したガードリング構造を示したものである。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成されるが、終端領域1においては、平面視において、第1エミッタ電極2が形成された領域を囲む、複数のリング状のpウェル層10が形成される。また最外周には、チャネルストッパ12が形成される。
【0027】
各pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成される。第1フィールドプレート電極11は、例えばアルミで形成することが可能である。
【0028】
図19は、図15におけるB−B’断面の別の態様である。当該図は、容量結合を利用したフィールドプレート構造を示したものである。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成され、最外周には、チャネルストッパ12が形成される。
【0029】
pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成される。また、pウェル層10とチャネルストッパ12との間に領域にも、層間絶縁膜800を介して、第1フィールドプレート電極11がリング状に複数形成される。第1フィールドプレート電極11は、例えばポリシリコンで形成することが可能である。
【0030】
さらに、第1フィールドプレート電極11上に、層間絶縁膜81を介して(一部接続して)第3フィールドプレート電極210が形成される。
【0031】
上記のような半導体装置においては、図16のように、温度センスダイオードの電極パッドおよび配線の直下の領域にはエミッタ電極を形成することができず、無効領域となってしまうため、新たに有効面積を拡張する必要があった。
【0032】
なお、温度センスダイオードの電極パッドおよび配線の直下以外の領域については、図示しない個別ゲート電極が、図15の左右方向に延在するストライプ状に形成され、複数列に配列されている。個別ゲート電極は、ゲート電極20と交差する箇所において、ゲート電極20と接続される。
【0033】
有効面積を増やすには電極パッドを小さくし、配線長を短くすることが効果的である。しかし電極パッドは、少なくとも外部と接続(例えばAlワイヤ)する面積(例えば、ワイヤ径)が必要となるため、面積の縮小には限界があった。
【0034】
また温度センスダイオードは、一般的に、半導体チップで最も高く発熱するチップ中心付近に配置することが望ましく、半導体チップの端部分に配置した場合、検出感度が低下するという問題があった。
【0035】
また、半導体装置に備えられたゲート電極のゲート抵抗が大きいと、チップ動作のばらつきが生じ、一部のチップに電流が集中してしまうアンバランス動作が生じてしまうという問題があった。
【0036】
また近年、トランスファーモールド技術を応用した製品が多くあるが、モールド樹脂と半導体チップの熱膨張係数の差により、モールド樹脂からの応力によって半導体上に構成される配線がスライドするという問題があった。その対策のひとつとして、電極厚みの薄膜化を行い、段差を減らすことによる応力緩和が挙げられるが、前述するようにゲート配線幅(断面積)の制約があり、ワイヤボンドで電極と構成する際にセル部へのダメージが懸念されるため、限界値が存在する。また、ポリイミドコーティングによる配線の保護があるが、コストアップの要因となる。
【0037】
以下の実施の形態では、上記のような問題を解決可能な半導体装置について説明する。
【0038】
<A−1.構成>
図1は、実施の形態1にかかる、電極パッド形成後の製造工程図である。後述する図2の下層に当たる上主面であり、平面視において、第1エミッタ電極2が形成された領域を第1ゲート配線5で囲み、第1ゲート配線5で囲んだ領域をセル領域とする。セル領域の外側の領域は、終端領域1となる。
【0039】
第1エミッタ電極2が形成されたセル領域内においては、その中央部に温度センスダイオード3が配置される。
【0040】
また、セル領域内においても、第1ゲート電極パッド7に接続された複数の第1ゲート配線5が配列されている。
【0041】
図2は、本発明の実施の形態1にかかる、半導体装置としてのIGBTの上主面を示したものであり、図1の状態からさらに製造工程が進んだ状態を示すものである。
【0042】
平面視において、第1エミッタ電極2の上層に当たる第2エミッタ電極15が形成されたセル領域を第2ゲート配線16で囲み、その外側の領域は終端領域1となる。第2ゲート配線16も、第1ゲート配線5の上層に当たるものである。第2エミッタ電極15を形成することにより、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化し、アンバランス動作を抑制できる。
【0043】
第2エミッタ電極15が形成されたセル領域内においては、その中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0044】
また、セル領域内においても、第2ゲート電極パッド17に接続された複数の第2ゲート配線16が配列されている。
【0045】
図3は、図2のC−C’断面の断面図である。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10(pベース層)が形成され、pウェル層10(pベース層)表面からn−基板9内に延在して個別ゲート電極200が形成される。
【0046】
なお、温度センスダイオード3の電極パッド6および配線4の直下以外の領域については、図示しない個別ゲート電極200が、図1の左右方向に延在するストライプ状に形成され、複数列に配列されている。個別ゲート電極200は、ゲート電極20と交差する箇所において、ゲート電極20と接続される。
【0047】
さらにpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を挟んで、各セルのエミッタ層としてのn+エミッタ層18が形成される。またpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を覆って、第4層間絶縁膜としての層間絶縁膜82が形成される。
【0048】
また、層間絶縁膜82を含むpウェル層10を覆って、第1エミッタ電極2が形成される。第1エミッタ電極2上には、第5層間絶縁膜としての層間絶縁膜83が選択的に形成される。第1エミッタ電極2下には、MOSトランジスタが形成される。なお、図示しない断面において、第1エミッタ電極2は、n+エミッタ層18と接続される。
【0049】
層間絶縁膜83上には、温度センスダイオード3の配線4が選択的に配置される。なお、温度センスダイオード3の電極パッド6が、層間絶縁膜83上に配置される断面においては、温度センスダイオード3の配線4の代わりに電極パッド6が配置されたものとなる。
【0050】
図15に示した半導体装置の場合では、電極パッド6および配線4でエミッタ電極の有効面積が削られるが、本実施の形態1では、配線4の直下にもMOSトランジスタを配置することができ、有効面積の減少を防止することができる。
【0051】
このように実施の形態1では、温度センスダイオード3の電極パッド6および配線4の下にMOSトランジスタを形成することが出来るので、無効面積を最小限にすることが可能になる効果が得られる。
【0052】
図4に、図2のD−D’断面の断面図を示す。図に示すように本発明にかかる半導体装置は、n−基板9上に形成されたpウェル層10と、pウェル層10表面に選択的に形成された、絶縁膜としての酸化膜22と、酸化膜22上に選択的に形成されたゲート電極20とを備える。ゲート電極20は、複数のセルの個別ゲート電極200と接続する。またゲート電極20は、図1に示すゲート配線5と同様のレイアウトで形成され、すなわち、図1の上下方向およびセル領域を囲むように形成される。
【0053】
また、ゲート電極20の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜としての層間絶縁膜8が形成される。層間絶縁膜8は、デポなどの方法で選択的にエッチングを行って、酸化膜22上に形成する。層間絶縁膜8に覆われない上面の一部を介して、ゲート電極20と第1ゲート配線5とが接続される。第1ゲート配線5は、アルミなどの導電性材料をスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして形成する。
【0054】
第1ゲート配線5の、上面の一部を除く領域を覆って、第2層間絶縁膜としての層間絶縁膜80が形成される。層間絶縁膜80は、層間絶縁膜8上に形成される。層間絶縁膜80に覆われない上面の一部を介して、第1ゲート配線5と第2ゲート配線16とが接続される。
【0055】
ここで第2ゲート配線16の幅は、平面視において、第1ゲート配線5の幅よりも広く形成することができる。
【0056】
また、層間絶縁膜8を介して、ゲート電極20、第1ゲート配線5を挟むように第1エミッタ電極2、第1フィールドプレート電極11を形成することができる。第1エミッタ電極2が形成される図面左側が、セル領域に対応する。さらに、第1エミッタ電極2、第1フィールドプレート電極11それぞれの上層に、第2エミッタ電極15、第2フィールドプレート電極21を形成することが可能である。第2エミッタ電極15を形成する場合には、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化することができ、アンバランス動作を抑制できる。また、第2フィールドプレート電極21を形成する場合には、耐圧を安定化させることが可能となる。
【0057】
ここでアンバランス動作とは、ゲート抵抗が大きい場合に、チップ動作のばらつきが生じ、一部のチップに電流が集中しやすくなる動作をいう。
【0058】
図4に示す構造では、第1ゲート配線5でゲートの電位を伝えるのに必要な幅を設定し、第1ゲート配線5と接続される第2ゲート配線16の幅を、第1ゲート配線5の幅より広く形成して、ゲート抵抗を設定する。よって、第2ゲート配線16でゲート抵抗を設定できるため、IGBTチップ内の寄生ゲート抵抗値の低減が可能となり、アンバランス動作を抑制することができる。
【0059】
なお、図4に示す構造における、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15、第2フィールドプレート電極21を形成する工程で、図3に示す構造における、電極パッド6、および、配線4を形成することができる。
【0060】
また、個別ゲート電極200とゲート電極20とは、同一の工程で形成可能であり、層間絶縁膜8と層間絶縁膜82、層間絶縁膜80と層間絶縁膜83は、同一の工程で形成可能である。
【0061】
<A−2.効果>
本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第1層間絶縁膜8に覆われない上面を介して、ゲート電極20と接続された、第1ゲート配線5と、第1ゲート配線5の、上面の一部を除く領域を覆って、第1層間絶縁膜8上に形成された、第2層間絶縁膜80と、第2層間絶縁膜80に覆われない上面を介して、第1ゲート配線5と接続された、第2ゲート配線16とを備え、平面視において、第2ゲート配線16の幅は、第1ゲート配線5の幅よりも広いことで、IGBTチップ内の寄生ゲート抵抗値を低減し、アンバランス動作を抑制することができる。
【0062】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、個別ゲート電極200に隣接して形成された、各セルのエミッタ層としてのn+エミッタ層18と、個別ゲート電極200を覆って形成された、第4層間絶縁膜82と、第4層間絶縁膜82上にn+エミッタ層18と接続されて形成された、第1エミッタ電極2と、第1エミッタ電極2上に形成された、第5層間絶縁膜83と、第5層間絶縁膜83上に配置された、温度センスダイオード3の電極パッド6、および/または、温度センスダイオード3の配線4とをさらに備えることで、温度センスダイオード3の電極パッド6、配線4の直下において無効領域が形成されてしまうことを抑制し、半導体装置の有効面積を拡張することができる。
【0063】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第1エミッタ電極2上に形成された、第2エミッタ電極15をさらに備えることで、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化でき、アンバランス動作、発振の抑制や、ワイヤボンディング性の向上が期待できる。
【0064】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、温度センスダイオード3の電極パッド6、および、温度センスダイオード3の配線4が、第2ゲート配線16、および、第2エミッタ電極15を形成する工程で形成されることで、工程数を削減し、作業効率を向上させることができる。
【0065】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第1ゲート配線5、第1エミッタ電極2および第1フィールドプレート電極11は、同一工程で形成されることで、工程数を削減し、作業効率を向上させることができる。
【0066】
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、半導体装置において、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15および第2フィールドプレート電極21は、同一工程で形成されることで、工程数を削減し、作業効率を向上させることができる。
【0067】
<B.実施の形態2>
<B−1.構成>
図5に本発明の実施の形態2にかかる、半導体装置の上主面図を示す。平面視において、第2エミッタ電極15が形成されたセル領域を第2ゲート配線16で囲み、セル領域の外側は、終端領域1となる。
【0068】
第2エミッタ電極15が形成された領域内においては、中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0069】
図6には、図5のE−E’断面の断面図を示す。当該図は、終端領域1にかからない領域での断面図であるので、フィールドプレート電極は示されていない。
【0070】
図に示すように、層間絶縁膜80は、第1ゲート配線5を少なくとも部分的に覆って形成され(図6においては第1ゲート配線5上を覆っている)、第2エミッタ電極15は、図4に示す場合とは異なり、第2ゲート配線16に代わり、層間絶縁膜80上を含む領域を覆って形成される。
【0071】
このように構成することによって、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化することによるアンバランス動作、発振の抑制や、ワイヤボンディング性の向上が可能になる。
【0072】
<B−2.効果>
本発明にかかる実施の形態2によれば、半導体装置において、第2層間絶縁膜80は、第1ゲート配線5を少なくとも部分的に覆って形成され、第2エミッタ電極15は、部分的箇所において、第2ゲート配線16に代わり第2層間絶縁膜80上を含む領域を覆って形成されることで、IGBTチップ内のエミッタ電位固定を強化することができ、アンバランス動作、発振の抑制や、ワイヤボンディング性の向上が期待できる。
【0073】
<C.実施の形態3>
<C−1.構成1>
図7は図2のH−H’断面の断面図を示す。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成されるが、終端領域1においては、平面視において、第1エミッタ電極2が形成された領域を囲む、複数のリング状のpウェル層10が形成される。また最外周には、チャネルストッパ12が形成される。なお、図においては複数のpウェル層10がリング状に形成されているが、1つのpウェル層10が形成され、リング形状が形成される場合であってもよい。
【0074】
各pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成される。第1フィールドプレート電極11は、複数のセルが形成されたセル領域を、平面視において囲むように形成される。
【0075】
さらに、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81で、第1フィールドプレート電極11を覆うが、層間絶縁膜81で覆わない第1フィールドプレート電極11を残し、その第1フィールドプレート電極11上に、第1フィールドプレート電極11と接続された第2フィールドプレート電極21を形成する。
【0076】
図に示すように、第2フィールドプレート電極21の厚さは、第1フィールドプレート電極11の厚さよりも厚いことが望ましい。
【0077】
さらに、第2フィールドプレート電極21、層間絶縁膜81を覆って、保護膜23を形成することができる。
【0078】
図8、9は、図7に示した半導体装置の製造方法を示した図である。
【0079】
まずn−基板9に、選択的に電圧印加時に空乏層を伸ばすpウェル層10、最外周で空乏層を止めるチャネルストッパ12を形成し、デポなどの方法で層間絶縁膜800を形成する(図8)。
【0080】
その後、アルミなどの導電性材料をスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして第1フィールドプレート電極11を形成し(図8)、次に同様の方法で層間絶縁膜81を形成し、選択的に第2フィールドプレート電極21を作製する(図9)。
【0081】
このようにして、第1フィールドプレート電極11と第2フィールドプレート電極21を用い、終端構造で耐圧を保持できる。
【0082】
ここで、本発明にかかる半導体装置では、終端領域1の電位接地のための電極である第1フィールドプレート電極11と、ワイヤボンディング性向上のための電極である第2フィールドプレート電極21とを別の工程で作製している。
【0083】
図15に示す、本発明の前提技術にかかる半導体装置の場合には、終端領域1の電位接地のための電極と、ワイヤボンディング性向上のための厚いAl電極とを同時に作製している。このため、モールド樹脂に埋めこまれたデバイスでは、モールドとSi、およびアルミの熱膨張率の違いで、終端構造のフィールドプレート電極(Al)が、経時的に剥がれる(スライドする)という問題がある。しかし本発明では、上記のように、第2フィールドプレート電極21が別工程で形成されるので、終端構造の第2フィールドプレート電極21の薄厚化によるスライド現象の発生を抑制することができる。
【0084】
ここで、第1ゲート配線5、第1エミッタ電極2および第1フィールドプレート電極11は、同一工程で形成することが可能である。
【0085】
また、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15および第2フィールドプレート電極21も、同一工程で形成することができる。
【0086】
このようにする場合には、工程数を削減し、コスト低減、効率向上の効果が得られる。
【0087】
更に他の第2フィールドプレート電極21上に水分・ストレス・不純物等から保護する、窒化ケイ素のような半絶縁性の保護膜23を構成する(図7)。このようにして、耐圧の安定化およびモールドの応力による電極変形防止の効果が得られる。
【0088】
<C−2.構成2>
図10は図2のH−H’断面の変形例を示す。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10が形成される。また最外周には、チャネルストッパ12が形成される。なお、図においては複数のpウェル層10がリング状に形成されているが、1つのpウェル層10が形成され、リング形状が形成される場合であってもよい。
【0089】
各pウェル層10、チャネルストッパ12上には、層間絶縁膜800に覆われない上面に接続された第1フィールドプレート電極11が形成され、pウェル層10が形成された領域からチャネルストッパ12が形成された領域にかけて、層間絶縁膜800上に複数の第1フィールドプレート電極11が形成される。
【0090】
層間絶縁膜81で第1フィールドプレート電極11を覆い、さらに第3フィールドプレート電極210を複数形成する。第3フィールドプレート電極210は、例えば、セル領域を囲むリング形状である。また第3フィールドプレート電極210は、平面視において、第1フィールドプレート電極11と一部オーバーラップするように形成される。このように形成することで、半導体装置の耐圧を安定化することができる。
【0091】
さらに、第3フィールドプレート電極210、層間絶縁膜81を覆って、保護膜23を形成する。
【0092】
図11、12は、図10に示した半導体装置の製造方法を示した図である。
【0093】
まずn−基板9に、選択的に電圧印加時に空乏層を伸ばすpウェル10、最外周で空乏層を止めるチャネルストッパ12を形成し、デポなどの方法で層間絶縁膜800を形成する(図11)。
【0094】
その後、アルミなどの導電性材料をスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして第1フィールドプレート電極11を形成し(図11)、次に同様の方法で層間絶縁膜81を形成し、選択的に第3フィールドプレート電極210を形成し、容量結合する(図12)。
【0095】
なお、第2ゲート配線16、第2エミッタ電極15および第2フィールドプレート電極210は、同一工程で形成することができる。
【0096】
図19に示す本発明にかかる半導体装置の場合、ゲート電極20を形成するポリシリコンで第1フィールドプレート電極11を形成していたため、製造上での制約があった。しかし本実施の形態では、第1フィールドプレート電極11を第1エミッタ電極2で、第2フィールドプレート電極21を第2エミッタ電極15で作製することができる。よって、製造上の制約を受けることなく、終端構造を作製することが出来る。
【0097】
<C−3.効果>
本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、複数のセルが形成されたセル領域を、平面視において囲む、第1フィールドプレート電極11と、第1フィールドプレート電極11の、上面の一部を除く領域を覆う、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81と、層間絶縁膜81に覆われない上面の一部を介して、第1フィールドプレート電極11と接続された、第2フィールドプレート電極21とをさらに備えることで、半導体装置の耐圧が安定化する。
【0098】
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、第2フィールドプレート電極21の厚さは、第1フィールドプレート電極11の厚さよりも厚いことで、終端構造の第2フィールドプレート電極21の薄厚化による、スライド現象の発生を抑制することができる。
【0099】
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81上に形成され、平面視においてセル領域を囲む、第3フィールドプレート電極210をさらに備え、第3フィールドプレート電極210は、平面視において、第1フィールドプレート電極11と一部オーバーラップすることで、半導体装置の耐圧が安定化する。
【0100】
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、半導体装置において、第3層間絶縁膜としての層間絶縁膜81上に形成された、保護膜23をさらに備えることで、半導体装置の耐圧が安定化する。また、モールドの応力による電極変形を抑制できる。
【0101】
<D.実施の形態4>
<D−1.構成>
図13に、本発明の実施の形態4にかかる、半導体装置の上主面図を示す。平面視において、第3エミッタ電極24が形成されたセル領域を第2ゲート配線16で囲み、その外側の領域は、終端領域1となる。
【0102】
第3エミッタ電極24が形成された領域内においては、中央部に温度センスダイオード3が配置され、温度センスダイオード3に接続された温度センスダイオード3の配線4、さらには配線4に接続された温度センスダイオード3の電極パッド6が配置されている。
【0103】
図14には、図13のF−F’断面の断面図を示す。図に示すように、n−基板9上にpウェル層10(pベース層)が形成され、pウェル層10(pベース層)表面からn−基板9内に延在して個別ゲート電極200が形成される。
【0104】
さらにpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を挟んで、n+エミッタ層18が形成される。またpウェル層10表面において、個別ゲート電極200を覆って、層間絶縁膜82が形成される。
【0105】
また、層間絶縁膜82を含むpウェル層10を覆って、第1エミッタ電極2が形成される。第1エミッタ電極2下には、MOSトランジスタが形成される。
【0106】
第1エミッタ電極2上には第2エミッタ電極15が形成され、さらに上層に、半田接合が可能な第3エミッタ電極24が形成される。
【0107】
第3エミッタ電極24は、3層に分かれたものを用いることができ、例えば、第3エミッタ電極25(Ti)、第3エミッタ電極26(Ni)、第3エミッタ電極27(Au)とすることができる。各電極はスパッタや蒸着などの方法で成膜し、選択的にエッチングして構成する。
【0108】
チップ表面電極上にはんだ付けすると、通電時のオン抵抗低減や、ワイヤボンド法に比べチップとの接合面が剥離するまでの寿命を向上させることができる。一般的に、半田付けにおいても、チップ表面のゲート配線は半田付けの自由度を阻害するが、本実施の形態4では、第1ゲート配線5の上を、層間絶縁膜8を介して第2エミッタ電極15が覆う構造となっているため、半田付けの自由度が上昇する。
【0109】
このように本実施の形態では、半田付けの自由度を上げるとともに、通電時のオン抵抗低減やパッケージのモールドの応力による電極変形を防止する効果が得られる。
【0110】
<D−2.効果>
本発明にかかる実施の形態4によれば、半導体装置において、第2エミッタ電極15上に形成された、半田接合が可能な第3エミッタ電極24をさらに備えることで、半導体装置の耐圧が安定化する。また、モールドの応力による電極変形を抑制できる。
【0111】
また、本発明にかかる実施の形態4によれば、半導体装置において、第3エミッタ電極25、26、27は、Ti/Ni/Auの電極によって構成されることで、さらに、半導体装置の耐圧が安定化する。また、モールドの応力による電極変形を抑制できる。
【0112】
本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
【符号の説明】
【0113】
1 終端領域、2 第1エミッタ電極、3 温度センスダイオード、4 配線、5 第1ゲート配線、6 電極パッド、7 第1ゲート電極パッド、8,80〜83,800,801 層間絶縁膜、9 n−基板、10 pウェル層、11 第1フィールドプレート電極、12 チャネルストッパ、15 第2エミッタ電極、16 第2ゲート配線、17 第2ゲート電極パッド、18 n+エミッタ層、20 ゲート電極、21 第2フィールドプレート電極、22 酸化膜、23 保護膜、24〜27 第3エミッタ電極、200 個別ゲート電極、210 第3フィールドプレート電極。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のセルの個別ゲート電極と接続する、絶縁膜上に選択的に形成された、ゲート電極と、
前記ゲート電極の、上面の一部を除く領域を覆って、前記絶縁膜上に形成された、第1層間絶縁膜と、
前記第1層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記ゲート電極と接続された、第1ゲート配線と、
前記第1ゲート配線の、上面の一部を除く領域を覆って、前記第1層間絶縁膜上に形成された、第2層間絶縁膜と、
前記第2層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記第1ゲート配線と接続された、第2ゲート配線とを備え、
平面視において、前記第2ゲート配線の幅は、前記第1ゲート配線の幅よりも広い、
半導体装置。
【請求項2】
前記複数のセルが形成されたセル領域を、平面視において囲む、第1フィールドプレート電極と、
前記第1フィールドプレート電極の、上面の一部を除く領域を覆う、第3層間絶縁膜と、
前記第3層間絶縁膜に覆われない前記上面の一部を介して、前記第1フィールドプレート電極と接続された、第2フィールドプレート電極とをさらに備える、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第2フィールドプレート電極の厚さは、前記第1フィールドプレート電極の厚さよりも厚い、
請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第3層間絶縁膜上に形成され、平面視において前記セル領域を囲む、第3フィールドプレート電極をさらに備え、
前記第3フィールドプレート電極は、平面視において、前記第1フィールドプレート電極と一部オーバーラップする、
請求項2または3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第3層間絶縁膜上に形成された、保護膜をさらに備える、
請求項2〜4のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項6】
前記個別ゲート電極に隣接して形成された、各セルのエミッタ層と、
前記個別ゲート電極を覆って形成された、第4層間絶縁膜と、
前記第4層間絶縁膜上に前記エミッタ層と接続されて形成された、第1エミッタ電極と、
前記第1エミッタ電極上に形成された、第5層間絶縁膜と、
前記第5層間絶縁膜上に配置された、温度センスダイオードの電極パッド、および/または、前記温度センスダイオードの配線とをさらに備える、
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第1エミッタ電極上に形成された、第2エミッタ電極をさらに備える、
請求項6に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第2層間絶縁膜は、前記第1ゲート配線を少なくとも部分的に覆って形成され、
前記第2エミッタ電極は、前記部分的箇所において、前記第2ゲート配線に代わり前記第2層間絶縁膜上を含む領域を覆って形成される、
請求項7に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第2エミッタ電極上に形成された、半田接合が可能な第3エミッタ電極をさらに備える、
請求項7または8に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記第3エミッタ電極は、Niを含む、
請求項9に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記第3エミッタ電極は、Ti/Ni/Auの電極によって構成される、
請求項9または10に記載の半導体装置。
【請求項12】
請求項7に記載の半導体装置において、
前記温度センスダイオードの電極パッド、および、前記温度センスダイオードの配線が、前記第2ゲート配線、および、前記第2エミッタ電極を形成する工程で形成される、
半導体装置の製造方法。
【請求項13】
前記第1ゲート配線、前記第1エミッタ電極および前記第1フィールドプレート電極は、同一工程で形成される、
請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項14】
前記第2ゲート配線、前記第2エミッタ電極および前記第2フィールドプレート電極は、同一工程で形成される、
請求項12または13に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
複数のセルの個別ゲート電極と接続する、絶縁膜上に選択的に形成された、ゲート電極と、
前記ゲート電極の、上面の一部を除く領域を覆って、前記絶縁膜上に形成された、第1層間絶縁膜と、
前記第1層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記ゲート電極と接続された、第1ゲート配線と、
前記第1ゲート配線の、上面の一部を除く領域を覆って、前記第1層間絶縁膜上に形成された、第2層間絶縁膜と、
前記第2層間絶縁膜に覆われない前記上面を介して、前記第1ゲート配線と接続された、第2ゲート配線とを備え、
平面視において、前記第2ゲート配線の幅は、前記第1ゲート配線の幅よりも広い、
半導体装置。
【請求項2】
前記複数のセルが形成されたセル領域を、平面視において囲む、第1フィールドプレート電極と、
前記第1フィールドプレート電極の、上面の一部を除く領域を覆う、第3層間絶縁膜と、
前記第3層間絶縁膜に覆われない前記上面の一部を介して、前記第1フィールドプレート電極と接続された、第2フィールドプレート電極とをさらに備える、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第2フィールドプレート電極の厚さは、前記第1フィールドプレート電極の厚さよりも厚い、
請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第3層間絶縁膜上に形成され、平面視において前記セル領域を囲む、第3フィールドプレート電極をさらに備え、
前記第3フィールドプレート電極は、平面視において、前記第1フィールドプレート電極と一部オーバーラップする、
請求項2または3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第3層間絶縁膜上に形成された、保護膜をさらに備える、
請求項2〜4のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項6】
前記個別ゲート電極に隣接して形成された、各セルのエミッタ層と、
前記個別ゲート電極を覆って形成された、第4層間絶縁膜と、
前記第4層間絶縁膜上に前記エミッタ層と接続されて形成された、第1エミッタ電極と、
前記第1エミッタ電極上に形成された、第5層間絶縁膜と、
前記第5層間絶縁膜上に配置された、温度センスダイオードの電極パッド、および/または、前記温度センスダイオードの配線とをさらに備える、
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第1エミッタ電極上に形成された、第2エミッタ電極をさらに備える、
請求項6に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第2層間絶縁膜は、前記第1ゲート配線を少なくとも部分的に覆って形成され、
前記第2エミッタ電極は、前記部分的箇所において、前記第2ゲート配線に代わり前記第2層間絶縁膜上を含む領域を覆って形成される、
請求項7に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第2エミッタ電極上に形成された、半田接合が可能な第3エミッタ電極をさらに備える、
請求項7または8に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記第3エミッタ電極は、Niを含む、
請求項9に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記第3エミッタ電極は、Ti/Ni/Auの電極によって構成される、
請求項9または10に記載の半導体装置。
【請求項12】
請求項7に記載の半導体装置において、
前記温度センスダイオードの電極パッド、および、前記温度センスダイオードの配線が、前記第2ゲート配線、および、前記第2エミッタ電極を形成する工程で形成される、
半導体装置の製造方法。
【請求項13】
前記第1ゲート配線、前記第1エミッタ電極および前記第1フィールドプレート電極は、同一工程で形成される、
請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項14】
前記第2ゲート配線、前記第2エミッタ電極および前記第2フィールドプレート電極は、同一工程で形成される、
請求項12または13に記載の半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【公開番号】特開2012−134198(P2012−134198A)
【公開日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−282655(P2010−282655)
【出願日】平成22年12月20日(2010.12.20)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年12月20日(2010.12.20)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
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