説明

半導体装置

【課題】IGBTにおいて、P型コレクタ層におけるキャリア濃度の変化を抑制し、オン電圧のばらつきを低減可能な技術を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体装置は、表面側にMOSFET構造1が形成されたN型半導体基板2と、N型半導体基板2の裏面に形成されたP型コレクタ層4とを備える。そして、P型コレクタ層4上にストライプ状に互いに離間して形成された、AlとSiとのAl合金からなるAlSi電極7aを含む積層構造の裏面電極7を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、表面側にMOSFET、裏面にP型コレクタ層がそれぞれ形成された半導体装置に関し、特にその裏面電極に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、高耐圧IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)においてはFZ(Floating Zone)法で製造されたSiウェハが使用されている。近年、コスト削減などの目的から、耐圧クラスが1000V程度の耐圧が低いIGBTにおいても、FZ法で製造されたSiウェハが使用されてきている。
【0003】
耐圧クラスが低いIGBTでは、デバイスの裏面構造を形成する工程の前に、ウェハ研削を行って100μm程度にウェハを薄くすることによって無駄な抵抗成分を減らしている。通常の裏面構造の形成では、拡散炉で1000℃以上の高温アニールを行うことによってP型コレクタ層の不純物を活性化しているが、薄ウェハに同様の処理を行うとウェハ割れが発生しやすくなってしまう。そこで、薄ウェハではレーザーアニールを使用することによりP型コレクタ層の不純物の活性化が行われている。このレーザーアニールの活性化率は高いことから、従来よりも少ない不純物(例えばボロン)の注入量で、P型コレクタ層のキャリア濃度を高くすることが可能である。なお、IGBTのP型コレクタ層については、特許文献1から特許文献3に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平7−30105号公報
【特許文献2】特開2008−53610号公報
【特許文献3】特開2008−266298号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
さて、通常、Siデバイスの電極としてSiと相性が良いAlSiまたはAlを用いることが多いが、AlはSi中に拡散するとP型のドーパントとして作用しやすくなる。そのため、IGBTの裏面電極にAlSiまたはAlを用いると、不純物注入の際に調整されていたP型コレクタ層のキャリア濃度が、電極のAlの影響を受けて増加してしまうことがある。特に、Light-Punch-Through(LPT)型CSTBTのように、少量のボロンなどの不純物が薄ウェハに注入されてP型コレクタ層が形成される薄ウェハIGBTの場合には、キャリア濃度の増加のばらつきが大きくなる。その結果、パワーデバイスの電気特性の中でも特に重要であるオン電圧がばらつくという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、IGBTなどの半導体装置において、裏面電極にAlまたはAlSiを用いてもP型コレクタ層におけるキャリア濃度の変化を抑制し、オン電圧のばらつきを低減可能な技術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】
【0007】
本発明に係る半導体装置は、表面側にMOSFET構造が形成されたN型半導体基板と、前記N型半導体基板の裏面に形成されたP型コレクタ層と、前記P型コレクタ層上にストライプ状に互いに離間して形成された、Al、または、AlとSiとのAl合金からなる第1金属電極を含む積層構造の裏面電極とを備える。
【0008】
また、上記と別構成として、本発明に係る半導体装置は、表面側にMOSFET構造が形成されたN型半導体基板と、前記N型半導体基板の裏面に形成されたP型コレクタ層と、前記P型コレクタ層上に互いに離間してストライプ状に形成された、膜厚が1nm以上2nm以下の酸化膜とを備える。そして、前記酸化膜上に形成され、当該酸化膜同士の隙間を介して前記P型コレクタ層とストライプ状に接触する、Al、または、AlとSiとのAl合金からなる第1金属電極を含む積層構造の裏面電極を備える。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、第1金属電極とP型コレクタ層との接触面積が小さいため、P型コレクタ層においてキャリア濃度が変化するのを抑制することができる。したがって、オン電圧のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】対比対象半導体装置の構成を示す断面図である。
【図2】対比対象半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図3】対比対象半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図4】対比対象半導体装置におけるオン電圧の分布を示す図である。
【図5】実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図6】実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図7】実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図8】実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図9】実施の形態1に係る半導体装置におけるオン電圧の分布を示す図である。
【図10】実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図11】実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図12】実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図13】実施の形態3に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
<実施の形態1>
まず、本発明に係る半導体装置及びその製造方法について説明する前に、それらと対比される対象の半導体装置(以下、「対比対象半導体装置」と呼ぶ)及びその製造方法について説明する。
【0012】
図1は、対比対象半導体装置として、IGBTの一種であるLPT型CSTBT(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor)の構成を示す断面図である。図に示されるように、この対比対象半導体装置は、表面側にMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)構造1が形成されたN型半導体基板2と、N型バッファ層3と、P型コレクタ層4と、積層構造の裏面電極6とを備える。
【0013】
不純物濃度が低いN型半導体基板2には、例えば、FZウェハが用いられる。N型半導体基板2のうち、MOSFET構造1、N型バッファ層3及びP型コレクタ層4が形成されていない部分はドリフト層として機能する。
【0014】
N型半導体基板2表面側に形成されるMOSFET構造1は、N型半導体基板2表面に形成された不純物濃度が高いP型のベース領域1aと、ゲート絶縁膜1bと、ゲート電極1cと、エミッタ領域1dとを備える。N型半導体基板2には、ベース領域1a表面から、ベース領域1a下側のN型半導体基板2に達するトレンチ1eが形成されている。トレンチ1e内には、ゲート絶縁膜1bを介してゲート電極1cが形成されている。そして、ベース領域1aの表面には、トレンチ1eを挟む不純物濃度が高いN型のエミッタ領域1dが形成されている。
【0015】
N型半導体基板2の裏面上には、不純物濃度が高いN型バッファ層3及び不純物濃度が高いP型コレクタ層4が順に形成されている。以下、MOSFET構造1、N型バッファ層3及びP型コレクタ層4が形成されたN型半導体基板2を、「IGBT半導体基板20」と呼ぶこともある。
【0016】
裏面電極6は、積層構造を有しており、AlSi電極6aと、NiAu電極6bとを有している。AlSi電極6aはP型コレクタ層4全面に亘ってその上に形成されており、NiAu電極6bはAlSi電極6a上に形成されている。AlSi電極6aは、Al(アルミニウム)とSi(珪素)とからなる合金から構成されており、そのAl濃度は99%となっている。NiAu電極6bは、Ni(ニッケル)とAu(金)とを含む合金、例えば、NiとAuとTi(チタン)とからなる合金、または、NiとAuとMo(モリブデン)とからなる合金から構成されている。
【0017】
以上の構成からなる対比対象半導体装置においては、ゲート電極1cに電圧が印加されると、ベース領域1aにおいてゲート電極1c近傍の部分にチャネルが形成される。チャネルが形成されると、エミッタ領域1dと裏面電極6との間に、チャネル(ベース領域1a)、ドリフト層(N型半導体基板2)、N型バッファ層3及びP型コレクタ層4を介して電流を流すことが可能となる。
【0018】
次に、対比対象半導体装置の製造方法のうち、図2に示されるIGBT半導体基板20が形成された後の製造方法について図1〜3を用いて説明する。なお、P型コレクタ層4は、ボロンなどの不純物の注入を行った後に、例えばレーザーアニールを行うことによって形成されているものとする。
【0019】
図3に示されるように、IGBT半導体基板20のP型コレクタ層4の上に、例えば金属蒸着法やスパッタ法によってAlSi電極6aを形成する。そして、AlSi電極6a上に、例えば金属蒸着法やスパッタ法によってNiAu電極6bを形成することにより、裏面電極6が形成される。こうして、図1に示される対比対象半導体装置が完成する。
【0020】
以上のような対比対象半導体装置では、P型コレクタ層4上にAlSi電極6aが形成される際に、AlSi電極6aのAlが、P型コレクタ層4内に拡散してP型のドーパントとして作用するようになる。そのため、不純物注入の際にP型コレクタ層4のキャリア濃度が制御されていても、AlSi電極6aを形成すると当該キャリア濃度が対比対象半導体装置ごとに異なる濃度に変化する。その結果、各対比対象半導体装置のオン電圧(VCE(sat))がばらついたものとなっている。
【0021】
図4は、対比対象半導体装置のオン電圧の分布を示す図である。この図に示されるように、対比対象半導体装置のオン電圧の分布は裾が広がっており、標準偏差σは0.050となっている。一般に、オン電圧が低い半導体装置では電流が流れやすいため、このようにオン電圧がばらつくと、オン電圧の低い特定の半導体装置に電流が集中し、当該半導体装置において発生する熱が大きくなってしまう。
【0022】
これを防ぐ方法として、AlSi電極6aを形成せずに、P型ドーパントとして作用しないNiAu電極6bをP型コレクタ層4上に形成することも考えられるが、NiAu電極6bは、AlSi電極6aよりもオーミックコンタクトが悪いことから、その構造はふさわしいものではない。
【0023】
そこで、本実施の形態に係る半導体装置では、AlSi電極がP型コレクタ層に形成されても、P型コレクタ層におけるキャリア濃度の変化が抑制され、オン電圧のばらつきが低減されている。以下、このような本実施の形態に係る半導体装置について説明する。
【0024】
図5は、本実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置について、対比対象半導体装置と共通する部分については同じ符号を付している。
【0025】
図5に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置は、比較対象半導体装置の裏面電極6を裏面電極7に代えたものであり、それ以外の構成は比較対象半導体装置と同じであることから、以下、裏面電極7について説明する。
【0026】
裏面電極7は、積層構造を有しており、AlSi電極7aとNiAu電極7bとを有する。AlSi電極7aは、P型コレクタ層4上にストライプ状に互いに離間して形成されており、AlSi電極7aのAl濃度は99%となっている。そして、AlSi電極7aのストライプの幅及び間隔は、10μm以上30μm以下となっている。
【0027】
NiAu電極7bは、AlSi電極7a上、及び、AlSi電極7a同士の間のP型コレクタ層4上に形成されている。このNiAu電極7bの材質は、NiAu電極6bと同じである。
【0028】
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図5〜8を用いて説明する。なお、対比対象半導体装置の製造方法と同様に、図2に示されるIGBT半導体基板20が形成された後の製造方法について説明する。
【0029】
図6に示されるように、まず、IGBT半導体基板20のP型コレクタ層4上に、ストライプ状にパターン化されたレジスト8を形成する。そして、図7に示されるように、P型コレクタ層4及びレジスト8上にAlSi層7aaを形成する。それから、図8に示されるように、レジスト8と、レジスト8上のAlSi層7aaとを除去するリフトオフを行うことにより、P型コレクタ層4上にAlSi電極7aを形成する。そして、図5に示されるように、AlSi電極7a上、及び、AlSi電極7a同士の間のP型コレクタ層4上にNiAu電極7bを形成することにより、裏面電極7が形成される。こうして、図5に示される本実施の形態に係る半導体装置が完成する。
【0030】
図9は、本実施の形態に係る半導体装置のオン電圧(VCE(sat))の分布を示す図である。この図に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置のオン電圧の分布は図4の分布に比べて裾が狭くなっており、標準偏差σは0.029と小さくなっている。つまり、本実施の形態に係る半導体装置においては、オン電圧の分布のばらつきが低減されている。これは、AlSi電極7aとP型コレクタ層4との接触面積が小さくなったことにより、AlSi電極7aからP型コレクタ層4へのAlの拡散が抑制され、P型コレクタ層4でのキャリア濃度の変化が抑制されたためである。
【0031】
以上のように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、AlSi電極7aとP型コレクタ層4との接触面積が小さいため、P型コレクタ層4でのキャリア濃度の変化を抑制でき、オン電圧のばらつきを低減することができる。したがって、特定の半導体装置に電流が集中するのを抑制することができるため、半導体装置における発熱を抑制することができ、半導体装置の耐久性を向上させることができる。
【0032】
また、本実施の形態では、AlSi電極7aのストライプの幅及び間隔を10μm以上30μm以下にしているため、P型コレクタ層4内におけるAlの面内濃度を均一にすることができる。したがって、オン電圧のばらつきを確実に低減することができる。
【0033】
なお、P型ドーパントして作用するAlの拡散が抑制されたことにより、P型コレクタ層4のキャリア濃度が減少することから、図9に係るオン電圧は全体的に図4に係るオン電圧よりも高いものとなっている。しかし、P型コレクタ層4形成時の不純物注入を調整すれば、図4に係るオン電圧と同じ程度まで減少させることができる。
【0034】
また、以上の説明では、裏面電極7はAlSi電極7aを有するものであった。しかしこれに限ったものではなく、裏面電極7が、AlSi電極7aの代わりに、Siを含まない純AlからなるAl電極を有するようにしても、上述と同様の効果を得ることができる。
【0035】
<実施の形態2>
図10は、本実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置について、実施の形態1に係る半導体装置と共通する部分については同じ符号を付している。
【0036】
図10に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態1に係る半導体装置の裏面電極7を裏面電極9に代えたものであり、それ以外の構成は実施の形態1に係る半導体装置と同じであることから、以下、裏面電極9について説明する。
【0037】
裏面電極9は、第1AlSi電極9aと、第2AlSi電極9bと、NiAu電極9cとを有する。第1AlSi電極9aは、P型コレクタ層4上にストライプ状に互いに離間して形成されている。第1AlSi電極9aのAl濃度は1%以上5%以下となっており、これまでのAlSi電極と比べて低くなっている。そして、第1AlSi電極9aのストライプの幅及び間隔は10μm以上30μm以下となっており、第1AlSi電極9aの膜厚は200nm以上300nm以下となっている。
【0038】
第2AlSi電極9bは、第1AlSi電極9a上、及び、第1AlSi電極9a同士の間のP型コレクタ層4上に形成されている。つまり、第2AlSi電極9bは、第1AlSi電極9a上に形成され、当該第1AlSi電極9a同士の隙間を介してP型コレクタ層4とストライプ状に接触している。そして、この第2AlSi電極9bのAl濃度は99%となっており、第1AlSi電極9aよりも高くなっている。
【0039】
NiAu電極9cは、第2AlSi電極9b上に形成されており、このNiAu電極9cの材質はNiAu電極7bと同じである。
【0040】
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図10〜12を用いて説明する。なお、対比対象半導体装置の製造方法と同様に、図2に示されるIGBT半導体基板20が形成された後の製造方法について説明する。
【0041】
図11に示されるように、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法と同様にリフトオフを行うことにより、P型コレクタ層4上に第1AlSi電極9aを形成する。それから、図12に示されるように、第1AlSi電極9a上、及び、第1AlSi電極9a同士の間のP型コレクタ層4上に第2AlSi電極9bを形成する。そして、図10に示されるように、第2AlSi電極9b上にNiAu電極9cを形成することにより、裏面電極9が形成される。こうして、図10に示される本実施の形態に係る半導体装置が完成する。
【0042】
以上のような本実施の形態に係る半導体装置によれば、Al濃度が高い第2AlSi電極9bは、P型コレクタ層4とストライプ状に接触していることから、第2AlSi電極9bとP型コレクタ層4との接触面積は小さくなっている。したがって、第2AlSi電極9bからP型コレクタ層4へのAlの拡散が抑制される。一方、第1AlSi電極9aのAl濃度は低いため、第1AlSi電極9aからP型コレクタ層4へのAlの拡散が抑制される。以上より、P型コレクタ層4のキャリア濃度が抑制されるため、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
【0043】
また、本実施の形態では、第1AlSi電極9aの膜厚は200nm以上300nm以下となっていることから、第2AlSi電極9bのAlが第1AlSi電極9aを介してP型コレクタ層4へ進行するのを抑制することができるとともに、第1AlSi電極9aがショットキー成分として寄与するのを抑制することができる。
【0044】
また、第2AlSi電極9bのストライプの幅及び間隔を10μm以上30μm以下にしているため、実施の形態1と同様に、Alの面内濃度を均一にすることができ、オン電圧のばらつきを確実に低減することができる。
【0045】
なお、以上の説明では、裏面電極9は第2AlSi電極9bを有するものであった。しかしこれに限ったものではなく、裏面電極9が、第2AlSi電極9bの代わりに、Siを含まない純AlからなるAl電極を有するようにしても、上述と同様の効果を得ることができる。
【0046】
<実施の形態3>
図13は、本実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置について、実施の形態1に係る半導体装置と共通する部分については同じ符号を付している。
【0047】
図13に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態1に係る半導体装置の裏面電極7を裏面電極10に代えたものであり、それ以外の構成は実施の形態1に係る半導体装置と同じであることから、以下、裏面電極10について説明する。
【0048】
裏面電極10は、酸化膜10aと、AlSi電極10bと、NiAu電極10cとを有する。酸化膜10aは、P型コレクタ層4上にストライプ状に互いに離間して形成されており、その膜厚は1nm以上2nm以下となっている。この酸化膜10aは、P型コレクタ層4が形成された後に、その表面を酸化させてフッ酸等によりエッチングされて形成される。
【0049】
AlSi電極10bは、酸化膜10a上、及び、酸化膜10a同士の間のP型コレクタ層4上に形成されている。つまり、AlSi電極10bは、酸化膜10a上に形成され、当該酸化膜10a同士の隙間を介してP型コレクタ層4とストライプ状に接触している。このAlSi電極10bのストライプの幅及び間隔は、10μm以上30μm以下となっている。そして、AlSi電極10bのAl濃度は99%となっている。
【0050】
NiAu電極10cは、AlSi電極10b上に形成されており、このNiAu電極9cの材質はNiAu電極7bと同じである。
【0051】
以上のような本実施の形態に係る半導体装置によれば、AlSi電極10bは、P型コレクタ層4とストライプ状に接触していることから、AlSi電極10bとP型コレクタ層4との接触面積は小さくなっている。したがって、AlSi電極10bからP型コレクタ層4へのAlの拡散が抑制されることから、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、酸化膜10aの膜厚は1nm以上2nm以下となっていることから、AlSi電極10bからのAlが酸化膜10aを介してP型コレクタ層4へ進行するのを抑制することができるとともに、酸化膜10aがショットキー成分として寄与するのを抑制することができる。
【0052】
なお、以上の説明では、裏面電極10はAlSi電極10bを有するものであった。しかしこれに限ったものではなく、裏面電極10が、AlSi電極10bの代わりに、Siを含まない純AlからなるAl電極を有するようにしても、上述と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【0053】
1 MOSFET構造、2 N型半導体基板、4 P型コレクタ層、7,9,10 裏面電極、7a,10b AlSi電極、9a 第1AlSi電極、9b 第2AlSi電極、10a 酸化膜。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面側にMOSFET構造が形成されたN型半導体基板と、
前記N型半導体基板の裏面に形成されたP型コレクタ層と、
前記P型コレクタ層上にストライプ状に互いに離間して形成された、Al、または、AlとSiとのAl合金からなる第1金属電極を含む積層構造の裏面電極と
を備える、半導体装置。
【請求項2】
表面側にMOSFET構造が形成されたN型半導体基板と、
前記N型半導体基板の裏面に形成されたP型コレクタ層と、
前記P型コレクタ層上に互いに離間してストライプ状に形成された、膜厚が1nm以上2nm以下の酸化膜と、
前記酸化膜上に形成され、当該酸化膜同士の隙間を介して前記P型コレクタ層とストライプ状に接触する、Al、または、AlとSiとのAl合金からなる第1金属電極を含む積層構造の裏面電極と
を備える、半導体装置。
【請求項3】
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1金属電極は前記Al合金からなり、
前記裏面電極は、前記第1金属電極上に形成され、当該第1金属電極同士の隙間を介して前記P型コレクタ層とストライプ状に接触する、Alまたは前記Al合金からなる第2金属電極
をさらに備え
前記第1金属電極のアルミニウム濃度は前記第2金属電極よりも低い、半導体装置。
【請求項4】
請求項3に記載の半導体装置であって、
前記第1金属電極の膜厚は、200nm以上300nm以下である、半導体装置。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1金属電極のストライプの幅及び間隔は、10μm以上30μm以下である、半導体装置。

【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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【図13】
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【公開番号】特開2011−216762(P2011−216762A)
【公開日】平成23年10月27日(2011.10.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−84931(P2010−84931)
【出願日】平成22年4月1日(2010.4.1)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】