碳化硅半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】由于在肖特基電極的外周端處存在的前端尖銳形狀的蝕刻殘渣，易于在SBD高頻開關(guān)動作時由于位移電流而在上述殘渣部處引起電場集中。本發(fā)明的碳化硅半導(dǎo)體裝置具有：第1導(dǎo)電型的漂移層(1b)；在漂移層(1b)中形成的第2導(dǎo)電型的保護環(huán)區(qū)域(2)；以將保護環(huán)區(qū)域(2)包圍的方式形成的場絕緣膜(3)；肖特基電極(4)，其以在保護環(huán)區(qū)域(2)的內(nèi)側(cè)將在表面露出的漂移層(1b)和保護環(huán)區(qū)域(2)覆蓋的方式形成，其外周端存在于場絕緣膜(3)上；以及在肖特基電極(4)上形成的表面電極焊盤(5)，表面電極焊盤(5)的外周端越過肖特基電極(4)的外周端而與所述場絕緣膜(3)接觸。
【專利說明】碳化硅半導(dǎo)體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有肖特基結(jié)的碳化硅半導(dǎo)體裝置，在所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置中，形成肖特基結(jié)的肖特基電極的一部分與保護環(huán)等終端區(qū)域接觸，肖特基電極的外周端存在于絕緣膜上。

【背景技術(shù)】
[0002]肖特基勢壘二極管(SBD)是單極設(shè)備，因此，與通常的雙極二極管相比，能夠減小開關(guān)損耗，但是將硅作為構(gòu)成材料的SBD在實用上只能得到小于或等于50V程度的耐壓，因此，不適合用于高電壓的逆變器等。與此相對，將碳化硅作為構(gòu)成材料的SBD可以容易地得到具有幾kV程度的耐壓，因此，近幾年向功率轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用受到關(guān)注。
[0003]作為這種將碳化硅作為構(gòu)成材料的SBD，例如公開有在專利文獻I中記載的設(shè)備。在專利文獻I公開的SBD中，為了在施加靜態(tài)的高電壓時將在保護環(huán)區(qū)域與η型的半導(dǎo)體層之間的PN結(jié)的周圍產(chǎn)生的耗盡層延長，而使肖特基電極越過保護環(huán)區(qū)域的外周端而形成重疊構(gòu)造。通過采用這種構(gòu)造，耗盡層易于在η型的半導(dǎo)體層中延長，從而該SBD保持有較高的電壓截止能力。
[0004]專利文獻1:日本特開2005 - 286197號公報(圖1)
[0005]但是，如果使這種SBD進行高頻開關(guān)動作，則有可能在肖特基電極的外周端附近產(chǎn)生電場集中，引起SBD的耐壓惡化。
[0006]即，在進行從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換的開關(guān)動作時，向SBD施加急劇上升的電壓即高dv/dt的電壓。此時為了向保護環(huán)區(qū)域和η型的半導(dǎo)體層之間的PN結(jié)充電，與dv/dt的值成正比的位移電流流向SBD的保護環(huán)區(qū)域。保護環(huán)區(qū)域具有固有的電阻值，如果與dv/dt的值成正比的位移電流流過，則在此與位移電流成正比的電場在保護環(huán)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。
[0007]在現(xiàn)有的SBD中，采用了肖特基電極的重疊構(gòu)造，但是，在肖特基電極的外周端在通過蝕刻形成時以前端尖銳的形狀形成蝕刻殘渣。在存在這種前端尖銳的肖特基電極的殘渣的狀態(tài)下，如果進行SBD的高頻開關(guān)動作，則由于位移電流產(chǎn)生的電場易于在上述殘渣部集中，由此，可能導(dǎo)致在肖特基電極的外周端附近的故障。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供即使在高頻開關(guān)動作中也不會引起耐壓惡化的碳化硅半導(dǎo)體裝置。
[0009]為了解決上述課題，在本發(fā)明所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置中，其特征在于，具有:第I導(dǎo)電型的漂移層；保護環(huán)區(qū)域，其在所述漂移層中從所述漂移層的一側(cè)的表面形成，呈環(huán)狀，并包含有第2導(dǎo)電型的雜質(zhì)；場絕緣膜，其在所述一側(cè)的表面上，以將所述保護環(huán)區(qū)域包圍的方式形成；肖特基電極，其以在所述保護環(huán)區(qū)域的內(nèi)側(cè)將在所述一側(cè)的表面露出的所述漂移層和所述保護環(huán)區(qū)域覆蓋的方式形成，該肖特基電極的外周端存在于所述場絕緣膜上；以及表面電極焊盤，其形成在所述肖特基電極上，所述表面電極焊盤的外周端越過所述肖特基電極的外周端而與所述場絕緣膜接觸。
[0010]發(fā)明的效果
[0011]由于形成為如上述的結(jié)構(gòu)，所以根據(jù)本發(fā)明所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置，肖特基電極的端部的蝕刻殘渣被導(dǎo)電性的表面電極焊盤覆蓋，因此，由于位移電流而在保護環(huán)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的電場所形成的等電位面在蝕刻殘渣的周圍不會發(fā)生彎曲，在該部分不可能引起電場集中，作為其結(jié)果，實現(xiàn)如下效果，即，得到即使在高頻開關(guān)動作下可靠性也較高的碳化硅半導(dǎo)體裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是示意地表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的結(jié)構(gòu)的俯視圖以及剖面圖。
[0013]圖2是示意地表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0014]圖3是示意地表示本發(fā)明的實施方式3所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0015]圖4是表示本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
[0016]圖5是表示本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
[0017]圖6是示意地表示本發(fā)明的實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的變形例的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0018]標(biāo)號的說明
[0019]I碳化硅襯底
[0020]Ia襯底層
[0021]Ib漂移層
[0022]2保護環(huán)區(qū)域
[0023]2a高濃度區(qū)域
[0024]3場絕緣膜
[0025]4肖特基電極
[0026]4a蝕刻殘渣
[0027]5表面電極焊盤
[0028]6保護膜
[0029]7背面電極
[0030]8金屬膜
[0031]9抗蝕膜
[0032]10場限環(huán)

【具體實施方式】
[0033]<實施方式1>
[0034]圖1是示意地表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)以及沿A-A線的剖面圖(b)。在這里，示出在碳化硅襯底I上具有作為半導(dǎo)體元件的SBD的例子。此外，為了便于說明，在圖1(a)中僅表示出為了理解碳化硅襯底I的平面位置關(guān)系而所需的結(jié)構(gòu)要素，因此，詳細內(nèi)容請參照圖1 (b)。
[0035]如圖1(b)所示，本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置使用碳化硅襯底I而形成，該碳化硅襯底I由雜質(zhì)濃度相對較高的第I導(dǎo)電型(這里是η型)的襯底層la、以及在其上表面由外延晶體生長而形成的雜質(zhì)濃度相對較低的第I導(dǎo)電型的漂移層Ib構(gòu)成。材料即碳化硅是比硅帶隙寬的半導(dǎo)體材料，因此，與將硅作為構(gòu)成材料的半導(dǎo)體裝置相比較，將碳化硅作為構(gòu)成材料的半導(dǎo)體裝置能夠在更高溫下進行動作。
[0036]在漂移層Ib的一側(cè)的表面部分處，以環(huán)狀形成有作為終端區(qū)域的第2導(dǎo)電型(這里是P型)的保護環(huán)區(qū)域2。在以環(huán)狀形成的保護環(huán)區(qū)域2的內(nèi)側(cè)以及外側(cè)，漂移層Ib露出于一側(cè)的表面。在保護環(huán)區(qū)域2與漂移層Ib之間形成有PN結(jié)。在漂移層Ib的一側(cè)的表面上以將保護環(huán)區(qū)域2包圍的方式還形成有場絕緣膜3。場絕緣膜3在其中央具有開口部。在本實施方式中，場絕緣膜3是氧化硅膜，但是也可以是氮化硅膜。
[0037]在以環(huán)狀形成的保護環(huán)區(qū)域2的內(nèi)側(cè)，以將露出的漂移層Ib覆蓋的方式形成有肖特基電極4,在該肖特基電極4與漂移層Ib之間形成有肖特基結(jié)。另外，肖特基電極4以將保護環(huán)區(qū)域2的一部分覆蓋的方式延伸，與保護環(huán)區(qū)域2之間形成歐姆接觸。并且，肖特基電極4還在場絕緣膜3上延伸，其外周端存在于場絕緣膜3上。在本實施方式中，肖特基電極4其構(gòu)成金屬是鈦，其厚度大約為200nm。構(gòu)成肖特基電極4的金屬只要是與碳化硅襯底形成肖特基結(jié)的金屬即可，也可以是鑰、鎳、金等金屬。
[0038]在肖特基電極4之上，層疊有用于與外部端子連接的表面電極焊盤5。表面電極焊盤5的外周端越過肖特基電極4的外周端而與場絕緣膜3接觸。在本實施方式中，表面電極焊盤5其構(gòu)成金屬是鋁，其厚度大約為4.8 μ m。構(gòu)成表面電極焊盤5的金屬也可以是銅、鑰、鎳等金屬，還可以是如Al-Si這樣的鋁合金。
[0039]碳化硅襯底I的一側(cè)的表面以保護在其上形成的場絕緣膜3、肖特基電極4以及表面電極焊盤5的方式由保護膜6覆蓋。保護膜6為了緩和來自外部環(huán)境的應(yīng)力，優(yōu)選是有機樹脂膜。另外，需要耐高溫處理，因此，在本實施方式中，保護膜6使用聚酰亞胺樹脂膜。為了與外部端子連接，保護膜6在表面電極焊盤5上具有開口。
[0040]在碳化硅襯底I的另一側(cè)的表面上形成有背面電極7。背面電極7與襯底層Ia之間形成有歐姆接觸。背面電極7只要是與襯底層Ia之間形成歐姆接觸的金屬即可，在本實施方式中為鎳，但是也可以是除此以外的鋁或者鑰。
[0041]下面，使用圖4以及圖5說明本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的制造方法。在各圖中，示出圖1的A-A剖面。
[0042]準(zhǔn)備碳化硅襯底1，通過公知的方法，例如使用通過照片制版技術(shù)以規(guī)定的形狀進行圖案化而形成的抗蝕膜9來實施選擇性離子注入，從而在漂移層Ib的一側(cè)的表面部分中形成第2導(dǎo)電型的保護環(huán)區(qū)域2(圖4a)，其中，該碳化硅襯底I由雜質(zhì)濃度相對較高的第I導(dǎo)電型的襯底層Ia以及在該襯底層Ia上表面通過外延晶體生長而形成的雜質(zhì)濃度相對較低的第I導(dǎo)電型的漂移層Ib構(gòu)成。在這里，在第2導(dǎo)電型的區(qū)域中，例如作為雜質(zhì)離子而注入鋁離子或者硼離子，通過在大于或等于1500°C的高溫下進行退火而使雜質(zhì)離子電氣激活，作為規(guī)定的導(dǎo)電型的區(qū)域而形成。
[0043]然后，例如通過CVD法，在漂移層Ib的一側(cè)的表面上堆積厚度為I μ m左右的氧化硅膜，之后通過照片制版和蝕刻，將中央的氧化硅膜去除，形成在中央具有開口部的場絕緣膜3(圖4b)。開口部包含保護環(huán)區(qū)域2的一部分而形成在保護環(huán)區(qū)域2的內(nèi)側(cè)。
[0044]然后，在碳化硅襯底I的襯底層Ia露出的面上形成背面電極7(圖4c)。
[0045]然后，通過濺射法在形成有場絕緣膜3的漂移層Ib的一側(cè)的表面上在整個面上形成成為肖特基電極4的金屬膜8，并且通過照片制版技術(shù)形成規(guī)定形狀的抗蝕膜9 (圖5a)。
[0046]然后，將抗蝕膜9作為掩模而蝕刻金屬膜8，形成期望形狀的肖特基電極4(圖5b)。在蝕刻金屬膜8時，為了減輕對芯片的損傷，優(yōu)選濕處理，在這種情況下形成的肖特基電極4的端部易于形成前端尖銳的形狀。在這里，將該前端尖銳的部分稱為蝕刻殘渣4a。
[0047]然后，如果以將蝕刻殘渣4a覆蓋的方式在肖特基電極4上層疊表面電極焊盤5，形成保護膜6，則本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置完成(圖5c)。
[0048]下面，說明本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的作用。在本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置中，如果相對于表面電極焊盤5向背面電極7施加負電壓，則從背面電極7向表面電極焊盤5流動電流，本裝置變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。相反，如果相對于表面電極焊盤5向背面電極7施加正電壓，則肖特基結(jié)以及PN結(jié)截止電流，本裝置變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。
[0049]在進行從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換的開關(guān)動作時，向裝置施加急劇上升的電壓即高dv/dt的電壓。此時在保護環(huán)區(qū)域與η型半導(dǎo)體層之間的PN結(jié)的周圍產(chǎn)生被稱為耗盡層的雙電層，該耗盡層具有被稱為耗盡層電容的電容量。為了將該耗盡層電容充電，與dv/dt的值成正比的位移電流在裝置的保護環(huán)區(qū)域2內(nèi)從PN結(jié)向肖特基電極4流動。保護環(huán)區(qū)域2具有固有的電阻值，如果流動與dv/dt的值成正比的位移電流，則在此與位移電流和上述電阻值的乘積成正比的電場在保護環(huán)區(qū)域2內(nèi)產(chǎn)生。
[0050]如現(xiàn)有例所示，如果是在肖特基電極4的端部裸露有前端尖銳的蝕刻殘渣4a的狀態(tài)，則有可能使由于位移電流而在保護環(huán)區(qū)域2內(nèi)產(chǎn)生的電場所形成的等電位面在蝕刻殘渣4a的周圍彎曲，在該部分引起電場集中。
[0051]在本實施方式所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置中，以表面電極焊盤5的外周端越過肖特基電極4的外周端而與場絕緣膜3接觸的方式構(gòu)成，因此，肖特基電極4的端部的蝕刻殘渣4a被導(dǎo)電性的表面電極焊盤5覆蓋，因此，由于位移電流在保護環(huán)區(qū)域2內(nèi)產(chǎn)生的電場所形成的等電位面不會在蝕刻殘渣4a的周圍彎曲，在該部分不會引起電場集中。
[0052]因此，根據(jù)本實施方式，實現(xiàn)如下效果，S卩，得到即使在高頻開關(guān)動作下可靠性也較高的碳化硅半導(dǎo)體裝置。
[0053]另外，優(yōu)選表面電極焊盤5的外周端存在于保護環(huán)區(qū)域2的上方。其原因在于，如現(xiàn)有例所示，如果使表面電極焊盤5的外周端越過保護環(huán)區(qū)域2的外周端而形成為重疊構(gòu)造，則有可能使由于位移電流在保護環(huán)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的電場所形成的等電位面，由于越過保護環(huán)區(qū)域2的外周端而存在的表面電極焊盤5而發(fā)生彎曲，在該部位處引起耐壓的惡化。因此，通過形成這種結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)如下效果，即，得到即使在高頻開關(guān)動作下可靠性也進一步較高的碳化硅半導(dǎo)體裝置。
[0054]<實施方式2>
[0055]圖2是示意地表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的結(jié)構(gòu)的剖面圖。俯視圖與圖1相同，因此省略。在本實施方式中，其特征在于，在保護環(huán)區(qū)域2中形成有P型的高濃度區(qū)域2a，該P型的高濃度區(qū)域2a從該保護環(huán)區(qū)域2的表面形成且具有比保護環(huán)區(qū)域2更高的雜質(zhì)濃度。其他結(jié)構(gòu)與實施方式I的結(jié)構(gòu)相同。
[0056]通過形成這種結(jié)構(gòu)，在高濃度區(qū)域2a中耗盡層不會擴展，因此，能夠?qū)⒈Ｗo環(huán)區(qū)域2的固有的電阻值降低，能夠緩和與該電阻值成正比地產(chǎn)生的電場。因此，根據(jù)本實施方式，實現(xiàn)如下效果，即，得到即使在高頻開關(guān)動作下可靠性也進一步較高的碳化硅半導(dǎo)體裝置。
[0057]<實施方式3>
[0058]圖3是示意地表示本發(fā)明的實施方式3所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的芯片的結(jié)構(gòu)的剖面圖。俯視圖與圖1相同，因此省略。在本實施方式中，其特征在于，場絕緣膜3的開口部形成為錐形狀。其他結(jié)構(gòu)與實施方式I的結(jié)構(gòu)相同。
[0059]具體地說，場絕緣膜3的開口部具有場絕緣膜3的厚度隨著從與開口部之間的邊界向外部遠離而變厚的錐形狀。場絕緣膜3的開口部形成為錐形狀，從而更加緩和在肖特基電極4的端部處的電場而進一步提高芯片的可靠性。因此，根據(jù)本實施方式，實現(xiàn)如下效果，即，得到即使在高頻開關(guān)動作下可靠性也進一步較高的碳化硅半導(dǎo)體裝置。
[0060]此外，在上述的實施方式的說明中，示出了半導(dǎo)體元件是SBD、在終端區(qū)域設(shè)有保護環(huán)區(qū)域2的結(jié)構(gòu)，但是，本發(fā)明所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體元件以及終端區(qū)域的構(gòu)造不限定于這種情況。例如，半導(dǎo)體元件也可以是同樣具有肖特基結(jié)的JBSCJunct1nBarrier Schottky d1de)或者 MPS (Merged PiN Schottky d1de),終端區(qū)域也可以代替保護環(huán)區(qū)域2而設(shè)置JTE (Junct1n Terminat1n Extens1n),如圖6所示，還可以在保護環(huán)區(qū)域2的基礎(chǔ)上附加設(shè)置場限環(huán)10。另外，將第I導(dǎo)電型設(shè)為η型，將第2導(dǎo)電型設(shè)為P型，但是，即使與其相反，當(dāng)然也可以發(fā)揮本發(fā)明的作用.效果。
[0061]工業(yè)實用性
[0062]本發(fā)明所涉及的碳化硅半導(dǎo)體裝置通過應(yīng)用于進行從交流向直流的轉(zhuǎn)換、從直流向交流的轉(zhuǎn)換、或者頻率轉(zhuǎn)換等功率轉(zhuǎn)換的儀器中，能夠有助于該儀器的功率轉(zhuǎn)換效率的提聞。
【權(quán)利要求】
1.一種碳化硅半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有: 第1導(dǎo)電型的漂移層； 保護環(huán)區(qū)域，其在所述漂移層中從所述漂移層的一側(cè)的表面形成，呈環(huán)狀，并包含有第2導(dǎo)電型的雜質(zhì)； 場絕緣膜，其在所述一側(cè)的表面上，以將所述保護環(huán)區(qū)域包圍的方式形成； 肖特基電極，其以在所述保護環(huán)區(qū)域的內(nèi)側(cè)將在所述一側(cè)的表面露出的所述漂移層和所述保護環(huán)區(qū)域覆蓋的方式形成，該肖特基電極的外周端存在于所述場絕緣膜上；以及 表面電極焊盤，其形成在所述肖特基電極上， 所述表面電極焊盤的外周端越過所述肖特基電極的外周端而與所述場絕緣膜接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述表面電極焊盤的外周端存在于所述保護環(huán)區(qū)域的上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在所述保護環(huán)區(qū)域之中形成有第2導(dǎo)電型的高濃度區(qū)域，該第2導(dǎo)電型的高濃度區(qū)域從所述保護環(huán)區(qū)域的一側(cè)的表面形成，且具有比所述保護環(huán)區(qū)域更高的雜質(zhì)濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述場絕緣膜的開口部形成為錐形狀。
【文檔編號】H01L29/872GK104425574SQ201410432842
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】樽井陽一郎, 今泉昌之, 油谷直毅 申請人:三菱電機株式會社