JP2013219083A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
半導体装置においては、製造過程等において、半導体素子の表面保護膜を形成する封止樹脂等などに、Ｎａなどの軽金属、Ｃｕなどの重金属及びＣｌなどのハロゲンなどの可動イオンや負電荷が発生することがある。こうした可動イオン等が素子上部やその周辺に移動すると、素子やその外周の電界分布に影響を与えて電界集中を招くことがある。ＩＧＢＴなどの高耐圧素子にあっては、こうした電界集中によって高耐圧下での動作に障害が発生する場合も考えられる。 In a semiconductor device, a mobile ion such as a light metal such as Na, a heavy metal such as Cu, and a halogen such as Cl or the like is generated in a sealing resin or the like forming a surface protection film of a semiconductor element in a manufacturing process or the like. Sometimes. When such movable ions move to the upper part of the element or its periphery, the electric field distribution on the element or its periphery may be affected, resulting in electric field concentration. In the case of a high breakdown voltage element such as an IGBT, a failure may occur in the operation under a high breakdown voltage due to such electric field concentration.
この種の問題に関して、導電性膜を介した電子のやりとりで可動イオンを中和して可動イオンによる耐電圧特性の変動を抑制することが開示されている（特許文献１）。導電性膜としては、金属又はカーボンの不連続薄膜が用いられている。 With respect to this type of problem, it has been disclosed that neutralization of mobile ions by exchanging electrons through a conductive film suppresses fluctuations in withstand voltage characteristics due to mobile ions (Patent Document 1). As the conductive film, a discontinuous thin film of metal or carbon is used.
特許文献１には、導電性膜として好適な抵抗率を得るためには、不連続薄膜を０．１〜２ｎｍ程度の膜厚で成膜とすることが記載されている。しかしながら、このような薄膜を精度よく成膜して安定した抵抗率を確保し、可動イオンによる耐電圧特性の変動を抑制できる半導体装置を提供することは困難であった。 Patent Document 1 describes that in order to obtain a resistivity suitable as a conductive film, a discontinuous thin film is formed with a film thickness of about 0.1 to 2 nm. However, it has been difficult to provide a semiconductor device that can form such a thin film with high accuracy to ensure a stable resistivity and suppress fluctuations in withstand voltage characteristics due to movable ions.
本明細書の開示は、簡易な構造で可動イオンによる耐電圧特性の変動を抑制できる半導体装置及びその製造方法を提供する。 The disclosure of the present specification provides a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can suppress a change in withstand voltage characteristics due to movable ions with a simple structure.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板を備えている。半導体基板は、半導体素子が形成されているアクティブ領域と、アクティブ領域の外周にある電界緩和領域と、を備えている。さらに、電界緩和領域の少なくとも一部を被覆する、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を備えることができる。 A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate. The semiconductor substrate includes an active region in which a semiconductor element is formed, and an electric field relaxation region on the outer periphery of the active region. Furthermore, a resin film containing carbon material particles having a carbon six-membered ring network and an insulating resin covering at least a part of the electric field relaxation region can be provided.
本明細書において、絶縁体とは、電気抵抗率が１０１４Ωｍ以上の物質を意味する。 In this specification, an insulator means a substance having an electrical resistivity of 10 14 Ωm or more.
この半導体装置は、電界緩和領域の少なくとも一部を被覆するように、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を備えている。この樹脂膜中の炭素材料粒子は、半導電性又は導電性である。こうした炭素材料粒子は、外部から絶縁性樹脂に付着する等によって生じる可動イオンを捕捉して上記樹脂膜内に分散させ、電界緩和領域における分極や電界集中を抑制できる。さらに、炭素材料粒子が相互接触等している場合には、生じた可動イオンや電荷を樹脂膜中を通過させて半導体装置外部（グランド）に流すことができる。以上のことから、上記樹脂膜は、炭素材料粒子を有することで、樹脂膜に付着した可動イオン等を捕捉し分散して、自ら可動イオン等の影響を抑制できるため、電界緩和領域の耐電圧特性を維持して半導体装置の耐電圧特性の変動を抑制できる。 This semiconductor device is provided with a resin film containing carbon material particles having a carbon six-membered ring network and an insulating resin so as to cover at least a part of the electric field relaxation region. The carbon material particles in the resin film are semiconductive or conductive. Such carbon material particles can capture mobile ions generated by, for example, adhering to the insulating resin from the outside and disperse them in the resin film, thereby suppressing polarization and electric field concentration in the electric field relaxation region. Furthermore, when the carbon material particles are in contact with each other, the generated mobile ions and electric charges can pass through the resin film and flow outside the semiconductor device (ground). From the above, since the resin film has carbon material particles, it can capture and disperse mobile ions and the like attached to the resin film and suppress the influence of mobile ions and the like. The characteristics can be maintained and fluctuations in the withstand voltage characteristics of the semiconductor device can be suppressed.
また、上記樹脂膜の抵抗率はその組成により容易に調節できるため、半導体装置は、安定した耐電圧特性を発揮することができる。 In addition, since the resistivity of the resin film can be easily adjusted by its composition, the semiconductor device can exhibit stable withstand voltage characteristics.
上記樹脂膜は、さらにアクティブ領域の少なくとも一部を被覆していてもよい。こうすることで、アクティブ領域における可動イオン等による電界集中を抑制することができる。 The resin film may further cover at least a part of the active region. By doing so, electric field concentration due to movable ions or the like in the active region can be suppressed.
上記樹脂膜を、電界緩和領域及びアクティブ領域を被覆する表面保護膜としてもよい。こうすることで、表面保護膜を別途形成することを省略でき、しかも従来の表面保護膜中の可動イオン等の影響を回避できる。さらに、パッシベーション膜の形成も省略できる。 The resin film may be a surface protective film that covers the electric field relaxation region and the active region. By doing so, it is possible to omit separately forming the surface protective film, and to avoid the influence of mobile ions and the like in the conventional surface protective film. Furthermore, the formation of a passivation film can be omitted.
炭素材料粒子は、半導電性であることが好ましい。こうすることで、可動イオン等の影響を抑制するのに適した導電特性を樹脂膜に付与できる。炭素材料粒子は、カーボンナノチューブであることが好ましい。こうすることで、良好な特性を樹脂膜に付与できる。 The carbon material particles are preferably semiconductive. By carrying out like this, the conductive characteristic suitable for suppressing the influence of a movable ion etc. can be provided to a resin film. The carbon material particles are preferably carbon nanotubes. By carrying out like this, a favorable characteristic can be provided to a resin film.
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成されているアクティブ領域と、アクティブ領域の外周側に備えられる電界緩和領域と、を備える半導体基板の電界緩和領域の表面の少なくとも一部に対し、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を形成することを特徴とすることができる。 A method for manufacturing a semiconductor device disclosed in this specification includes at least one of surfaces of an electric field relaxation region of a semiconductor substrate including an active region in which a semiconductor element is formed and an electric field relaxation region provided on an outer peripheral side of the active region. A resin film containing carbon material particles having a carbon six-membered ring network and an insulating resin is formed on the portion.
こうした半導体装置の製造方法では、炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を形成する。この樹脂膜は、炭素材料粒子が可動イオン等を捕捉し、あるいは外部に流出させて、その影響を抑制できる。可動イオン等の捕捉や流出させるための樹脂膜の導電性（抵抗率）は、樹脂膜の組成により調節できる。このため、上述の製造方法によれば、可動イオン等による耐電圧変動を抑制できる半導体装置を簡易に製造できる。 In such a method for manufacturing a semiconductor device, a resin film containing carbon material particles and an insulating resin is formed. In this resin film, the carbon material particles can capture mobile ions or the like, or can flow out to the outside, thereby suppressing the influence. The conductivity (resistivity) of the resin film for trapping or letting out mobile ions or the like can be adjusted by the composition of the resin film. For this reason, according to the above-described manufacturing method, a semiconductor device capable of suppressing withstand voltage fluctuation due to movable ions or the like can be easily manufactured.
この製造方法においては、上記樹脂膜を、炭素材料粒子の濃度が前記表面側により高い傾斜組成を有するように形成することが好ましい。こうすることで、効果的に可動イオン等の影響を抑制できる。 In this manufacturing method, the resin film is preferably formed so that the concentration of the carbon material particles has a higher gradient composition on the surface side. By doing so, the influence of mobile ions and the like can be effectively suppressed.
図１に示す半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成されている電極、絶縁層等によって構成されている。半導体基板１２は、アクティブ領域２０と、電界緩和領域５０を有している。アクティブ領域２０には、ＩＧＢＴ（半導体素子の一例）が形成されている。アクティブ領域２０は、半導体基板１２を上面側から見たときに、半導体基板１２の略中央部に形成されている。電界緩和領域５０は、アクティブ領域２０の電界を緩和する領域であり、半導体基板１２の外周部に形成されている。より具体的には、半導体基板１２の外部端面（外周面）１２ａとアクティブ領域２０の間の領域である。したがって、半導体基板１２を上方から平面視した場合には、アクティブ領域２０は電界緩和領域５０に囲まれている。 A semiconductor device 10 illustrated in FIG. 1 includes a semiconductor substrate 12 and electrodes, insulating layers, and the like formed on the upper and lower surfaces of the semiconductor substrate 12. The semiconductor substrate 12 has an active region 20 and an electric field relaxation region 50. An IGBT (an example of a semiconductor element) is formed in the active region 20. The active region 20 is formed at a substantially central portion of the semiconductor substrate 12 when the semiconductor substrate 12 is viewed from the upper surface side. The electric field relaxation region 50 is a region that relaxes the electric field of the active region 20, and is formed on the outer periphery of the semiconductor substrate 12. More specifically, it is a region between the outer end surface (outer peripheral surface) 12 a of the semiconductor substrate 12 and the active region 20. Therefore, when the semiconductor substrate 12 is viewed from above, the active region 20 is surrounded by the electric field relaxation region 50.
アクティブ領域２０の上面にはトレンチが形成されている。トレンチの内面は、ゲート絶縁膜に覆われている。トレンチ内には、ゲート電極２８が形成されている。アクティブ領域２０の上面にはエミッタ電極２２が形成されている。半導体基板１２の下面には、コレクタ電極３４が形成されている。なお、半導体装置１０の上面側の電極（例えば、エミッタ電極２２、図示しないゲート電極パッド（各ゲート電極２８に接続されているパッド）、及び、その他の信号取出用電極）は、はんだ等のろう材や、ワイヤーボンディングや、導電性ペースト等によって、外部の導電部材に接続される。 A trench is formed on the upper surface of the active region 20. The inner surface of the trench is covered with a gate insulating film. A gate electrode 28 is formed in the trench. An emitter electrode 22 is formed on the upper surface of the active region 20. A collector electrode 34 is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 12. The electrodes on the upper surface side of the semiconductor device 10 (for example, the emitter electrode 22, gate electrode pads (not shown) (pads connected to each gate electrode 28), and other signal extraction electrodes) are solder or the like. It is connected to an external conductive member by a material, wire bonding, conductive paste or the like.
アクティブ領域２０内には、ｎ型のエミッタ領域２４、ｐ型のボディ領域２６、ｎ型のドリフト領域３０、ｐ型のコレクタ領域３２が形成されている。エミッタ領域２４は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。エミッタ領域２４は、ゲート絶縁膜に接する範囲に形成されている。エミッタ領域２４は、エミッタ電極２２に対してオーミック接続されている。ボディ領域２６は、エミッタ領域２４の側方及びエミッタ領域２４の下側に形成されている。ボディ領域２６は、エミッタ領域２４の下側でゲート絶縁膜に接している。２つのエミッタ領域２４の間のボディ領域２６は、ｐ型不純物濃度が高く、エミッタ電極２２に対してオーミック接続されている。ドリフト領域３０は、ボディ領域２６の下側に形成されている。ドリフト領域３０は、ボディ領域２６によってエミッタ領域２４から分離されている。ドリフト領域３０は、トレンチの下端部のゲート絶縁膜と接している。コレクタ領域３２は、ドリフト領域３０の下側に形成されている。コレクタ領域３２は、ｐ型不純物濃度が高く、コレクタ電極３４に対してオーミック接続されている。上述した各電極及び各半導体領域によって、アクティブ領域２０内にＩＧＢＴが形成されている。 In the active region 20, an n-type emitter region 24, a p-type body region 26, an n-type drift region 30, and a p-type collector region 32 are formed. The emitter region 24 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 12. The emitter region 24 is formed in a range in contact with the gate insulating film. The emitter region 24 is ohmically connected to the emitter electrode 22. The body region 26 is formed on the side of the emitter region 24 and below the emitter region 24. The body region 26 is in contact with the gate insulating film below the emitter region 24. The body region 26 between the two emitter regions 24 has a high p-type impurity concentration and is ohmically connected to the emitter electrode 22. The drift region 30 is formed below the body region 26. The drift region 30 is separated from the emitter region 24 by the body region 26. The drift region 30 is in contact with the gate insulating film at the lower end of the trench. The collector region 32 is formed below the drift region 30. The collector region 32 has a high p-type impurity concentration and is ohmically connected to the collector electrode 34. An IGBT is formed in the active region 20 by each electrode and each semiconductor region described above.
電界緩和領域５０内には、ディープｐ型領域５２、リサーフ領域５６、及び、端部ｎ型領域６２が形成されている。ディープｐ型領域５２は、アクティブ領域２０と電界緩和領域５０の境界に位置している。ディープｐ型領域５２は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。ディープｐ型領域５２は、ボディ領域２６と接している。ディープｐ型領域５２は、アクティブ領域２０内のゲート電極２８よりも深い深さまで形成されている。ディープｐ型領域５２は、高濃度にｐ型不純物を含有しており、ディープｐ型領域５２上に形成されている電極５４に対してオーミック接続されている。 A deep p-type region 52, a resurf region 56, and an end n-type region 62 are formed in the electric field relaxation region 50. The deep p-type region 52 is located at the boundary between the active region 20 and the electric field relaxation region 50. The deep p-type region 52 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 12. Deep p-type region 52 is in contact with body region 26. The deep p-type region 52 is formed to a depth deeper than the gate electrode 28 in the active region 20. The deep p-type region 52 contains a p-type impurity at a high concentration and is ohmically connected to an electrode 54 formed on the deep p-type region 52.
リサーフ領域５６は、ディープｐ型領域５２に隣接している。リサーフ領域５６は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。リサーフ領域５６は、ディープｐ型領域５２よりも浅い深さに形成されている。リサーフ領域５６のｐ型不純物濃度は、ディープｐ型領域５２よりも低い。また、リサーフ領域５６のｐ型不純物濃度は、端部ｎ型領域６２のｎ型不純物濃度よりも低い。端部ｎ型領域６２は、半導体基板１２の端面１２ａに露出するとともに半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。端部ｎ型領域６２は、比較的高濃度にｎ型不純物を含有しており、端部ｎ型領域６２上に形成されている電極６４に対してオーミック接続されている。ディープｐ型領域５２、リサーフ領域５６、及び、端部ｎ型領域６２の下側には、上述したドリフト領域３０が形成されている。すなわち、ドリフト領域３０は、アクティブ領域２０から電界緩和領域５０まで広がっている。また、ドリフト領域３０は、リサーフ領域５６と端部ｎ型領域６２の間の範囲にも存在しており、その範囲内で半導体基板１２の上面に露出している。以下では、リサーフ領域５６と端部ｎ型領域６２の間のドリフト領域３０を、周辺ドリフト領域３０ａという。ドリフト領域３０のｎ型不純物濃度は、ディープｐ型領域５２のｐ型不純物濃度よりも低く、端部ｎ型領域６２のｎ型不純物濃度よりも低い。電界緩和領域５０内においても、ドリフト領域３０の下側にコレクタ領域３２が形成されている。 The RESURF region 56 is adjacent to the deep p-type region 52. The RESURF region 56 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 12. The RESURF region 56 is formed at a shallower depth than the deep p-type region 52. The p-type impurity concentration of the RESURF region 56 is lower than that of the deep p-type region 52. The p-type impurity concentration of the RESURF region 56 is lower than the n-type impurity concentration of the end n-type region 62. The end n-type region 62 is formed in a range exposed on the end surface 12 a of the semiconductor substrate 12 and exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 12. The end n-type region 62 contains an n-type impurity at a relatively high concentration, and is ohmically connected to the electrode 64 formed on the end n-type region 62. The drift region 30 described above is formed below the deep p-type region 52, the resurf region 56, and the end n-type region 62. That is, the drift region 30 extends from the active region 20 to the electric field relaxation region 50. The drift region 30 also exists in a range between the RESURF region 56 and the end n-type region 62 and is exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 12 within the range. Hereinafter, the drift region 30 between the RESURF region 56 and the end n-type region 62 is referred to as a peripheral drift region 30a. The n-type impurity concentration of the drift region 30 is lower than the p-type impurity concentration of the deep p-type region 52 and lower than the n-type impurity concentration of the end n-type region 62. Also in the electric field relaxation region 50, the collector region 32 is formed below the drift region 30.
電界緩和領域５０の表面には、絶縁層５８が形成されている。絶縁層５８は、リサーフ領域５６と周辺ドリフト領域３０ａの上面に形成されている。 An insulating layer 58 is formed on the surface of the electric field relaxation region 50. The insulating layer 58 is formed on the upper surfaces of the RESURF region 56 and the peripheral drift region 30a.
表面保護膜としての樹脂膜６０が、アクティブ領域２０の表面及び電界緩和領域５０に形成された絶縁層５８の表面を含む全体を被覆するように形成されている。すなわち、樹脂膜６０は、エミッタ電極２２、電極５４、６４と絶縁層５８を被覆するように形成されている。樹脂膜６０は、また、リサーフ領域５６と周辺ドリフト領域３０ａと端部ｎ型領域６２を被覆するように形成されている。 A resin film 60 as a surface protective film is formed so as to cover the entire surface including the surface of the active region 20 and the surface of the insulating layer 58 formed in the electric field relaxation region 50. That is, the resin film 60 is formed so as to cover the emitter electrode 22, the electrodes 54 and 64, and the insulating layer 58. The resin film 60 is also formed so as to cover the RESURF region 56, the peripheral drift region 30a, and the end n-type region 62.
図２に示すように、樹脂膜６０は、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子であるカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含有している。より具体的には、例えば、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックスにカーボンナノチューブ６０ａがほぼ均一に分散した状態で含まれている。 As shown in FIG. 2, the resin film 60 contains carbon nanotubes 60a, which are carbon material particles having a carbon six-membered ring network, and an insulating resin 60b. More specifically, for example, the carbon nanotubes 60a are included in a matrix of the insulating resin 60b in a substantially uniformly dispersed state.
図２に示すように、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックスにおいてカーボンナノチューブ６０ａは、樹脂膜６０が絶縁体としての所定の抵抗性を確保できる程度に含有され、かつ相互に接触しており、半導体基板１２の表面にほぼ沿う方向において連続した接触構造を有している。 As shown in FIG. 2, in the matrix of the insulating resin 60b, the carbon nanotubes 60a are contained to such an extent that the resin film 60 can ensure a predetermined resistance as an insulator and are in contact with each other. It has a continuous contact structure in a direction substantially along the surface of the.
次に、こうした半導体装置１０における作用について説明する。半導体装置１０の製造過程等において、外部から樹脂膜６０に付着した不純物により、樹脂膜６０内に、Ｎａ、Ｃｕ、Ｃｌ等の可動イオンや負電荷（以下、可動イオン等９０という。）が発生する。また、アクティブ領域２０に対して電圧が印加され、また一定の温度以上となると、樹脂膜６０において、可動イオン等９０が発生しうる。従来の半導体装置では、表面保護膜中を可動イオン等９０が半導体基板の表面近傍に移動し、これにより生じる電界によって、電界緩和領域５０内の電界が乱され、所望の耐電圧特性を発揮できない虞があった。 Next, the operation of the semiconductor device 10 will be described. In the manufacturing process of the semiconductor device 10 and the like, mobile ions such as Na, Cu, Cl, and the like (hereinafter referred to as mobile ions 90) are generated in the resin film 60 due to impurities attached to the resin film 60 from the outside. To do. Further, when a voltage is applied to the active region 20 and the temperature exceeds a certain temperature, movable ions 90 or the like can be generated in the resin film 60. In the conventional semiconductor device, movable ions or the like 90 move in the surface protective film in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate, and the electric field generated thereby disturbs the electric field in the electric field relaxation region 50, so that the desired withstand voltage characteristics cannot be exhibited. There was a fear.
しかしながら、本実施例の半導体装置１０では、電界緩和領域５０の表面にカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む樹脂膜６０が形成されている。樹脂膜６０は、自ら樹脂膜６０内の可動イオン等９０の影響をキャンセルする機能を有している。すなわち、可動イオン等９０が樹脂膜６０の内部に発生しても、樹脂膜６０内でカーボンナノチューブ６０ａが可動イオン等９０を捕捉し、分散し、あるいはカーボンナノチューブ６０ａの接触構造により半導体装置１０の外部に流すことができる。また、電界緩和領域５０の表面に可動イオン等９０が付着したとしても、同様の効果によって可動イオン等９０による影響を抑制できる。この結果、可動イオン等９０による電界緩和領域５０における耐電圧特性の変動を抑制できる。 However, in the semiconductor device 10 of this example, the resin film 60 including the carbon nanotubes 60a and the insulating resin 60b is formed on the surface of the electric field relaxation region 50. The resin film 60 has a function of canceling the influence of the movable ions 90 in the resin film 60 by itself. That is, even if the movable ions 90 are generated inside the resin film 60, the carbon nanotubes 60 a capture and disperse the movable ions 90 in the resin film 60, or the contact structure of the carbon nanotubes 60 a causes the semiconductor device 10. Can flow outside. Moreover, even if the mobile ions etc. 90 adhere to the surface of the electric field relaxation region 50, the influence by the mobile ions etc. 90 can be suppressed by the same effect. As a result, the fluctuation of the withstand voltage characteristic in the electric field relaxation region 50 due to the movable ions 90 can be suppressed.
また、半導体装置１０では、樹脂膜６０がアクティブ領域２０上にも形成されている。したがって、電界緩和領域５０における樹脂膜６０と同様の可動イオン等９０の影響のキャンセル機能によりアクティブ領域２０における可動イオン等９０の影響を抑制できる。 In the semiconductor device 10, the resin film 60 is also formed on the active region 20. Therefore, the influence of the movable ions 90 in the active region 20 can be suppressed by the canceling function of the influence of the movable ions 90 in the electric field relaxation region 50 similar to the resin film 60.
以上説明したように、半導体装置１０によれば、樹脂膜６０を設けることにより、可動イオン等９０に起因して生じる電界が電界緩和領域５０及びアクティブ領域２０の電界に影響を及ぼすことが抑制される。この結果、可動イオン等９０による耐電圧特性の変動を抑制できる。 As described above, according to the semiconductor device 10, by providing the resin film 60, it is possible to suppress the electric field generated due to the movable ions 90 from affecting the electric fields of the electric field relaxation region 50 and the active region 20. The As a result, fluctuations in the withstand voltage characteristics due to the movable ions 90 can be suppressed.
半導体装置１０によれば、また、樹脂膜６０の導電性はカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとの組成により調節することができ、従来のようにｎｍレベルの膜厚などに依存しない。したがって、所望の導電性を容易に付与して可動イオン等９０の影響抑制効果を発揮させることができる。 According to the semiconductor device 10, the conductivity of the resin film 60 can be adjusted by the composition of the carbon nanotubes 60 a and the insulating resin 60 b, and does not depend on the nm level film thickness as in the conventional case. Therefore, desired conductivity can be easily imparted and the effect of suppressing the influence of the movable ions 90 can be exhibited.
さらに、半導体装置１０によれは、カーボンナノチューブ６０ａは、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子であるため、温度による抵抗率変動が小さく、その分子間力により相互接触構造をとりやすくなっている。このため、温度による耐電圧特性の変動も抑制できるなど、所望の導電特性の樹脂膜６０を容易に構成できる。 Furthermore, according to the semiconductor device 10, since the carbon nanotube 60a is a carbon material particle having a carbon six-membered ring network, the resistivity variation due to temperature is small, and it is easy to take an mutual contact structure by the intermolecular force. . For this reason, it is possible to easily configure the resin film 60 having desired conductive characteristics, such as suppression of fluctuations in withstand voltage characteristics due to temperature.
半導体装置１０によれば、カーボンナノチューブ６０ａなどこの種の炭素材料粒子は、熱伝導性、機械的強度、耐熱性にも優れている。このため、樹脂膜６０は、表面保護膜として有用な機能を備えることができる。また、従来、表面保護膜として用いられていた絶縁性樹脂の機能をカーボンナノチューブ６０ａにより少なくとも一部代替できるため、絶縁性樹脂の選択自由度が増大し、より安価なレジスト用樹脂を樹脂膜６０に用いることができるようになる。 According to the semiconductor device 10, this kind of carbon material particle such as the carbon nanotube 60a is excellent in thermal conductivity, mechanical strength, and heat resistance. For this reason, the resin film 60 can have a function useful as a surface protective film. In addition, since the function of the insulating resin conventionally used as the surface protective film can be at least partially replaced by the carbon nanotube 60a, the degree of freedom in selecting the insulating resin is increased, and a less expensive resist resin is used as the resin film 60. Can be used.
半導体装置１０の樹脂膜６０は、絶縁性樹脂６０ｂをマトリックスとするため、表面保護膜としての機能、パッシベーション膜としての機能も併せ有することができる。したがって、半導体装置１０は、表面保護膜やパッシベーション膜を省略することができ、簡易な構成であっても耐電圧特性の変動の抑制に優れている。 Since the resin film 60 of the semiconductor device 10 uses the insulating resin 60b as a matrix, it can have both a function as a surface protective film and a function as a passivation film. Therefore, the semiconductor device 10 can omit the surface protective film and the passivation film, and is excellent in suppressing the fluctuation of the withstand voltage characteristic even with a simple configuration.
半導体装置１０においては、電界緩和領域５０内の耐電圧特性を向上できるため、本実施例の構造によれば、従来よりも電界緩和領域の幅を狭くしても、十分な耐電圧特性を確保することができる。したがって、半導体装置１０によれば、より小型な半導体装置を提供することができる。 In the semiconductor device 10, since the withstand voltage characteristics in the electric field relaxation region 50 can be improved, according to the structure of this embodiment, sufficient withstand voltage characteristics are ensured even if the width of the electric field relaxation region is narrower than before. can do. Therefore, according to the semiconductor device 10, a smaller semiconductor device can be provided.
（半導体装置の製造方法）
次に半導体装置１０の製造方法について図３及び図４を参照して説明する。樹脂膜６０以外の半導体装置１０の構造は、従来公知の方法で形成することができる。したがって、ここでは、樹脂膜６０の形成方法についてのみ説明する。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 will be described with reference to FIGS. The structure of the semiconductor device 10 other than the resin film 60 can be formed by a conventionally known method. Therefore, only the method for forming the resin film 60 will be described here.
樹脂膜６０を形成する方法として、例えば、カーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む流動性の組成物を塗布する方法と、樹脂テープを貼り付ける方法とが考えられる。 As a method of forming the resin film 60, for example, a method of applying a fluid composition containing the carbon nanotubes 60a and the insulating resin 60b and a method of applying a resin tape are conceivable.
図３に示すように、流動性樹脂組成物を塗布する方法では、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０上に、流動性樹脂組成物８０を塗布などして供給する。流動性樹脂組成物８０は、絶縁性樹脂６０ｂを適当な溶剤や媒体に溶解又は分散し、さらにカーボンナノチューブ６０ａを分散させることで得ることができる。流動性樹脂組成物８０においては、絶縁性樹脂６０ｂと炭素材料粒子６０ａとは、所望の導電性が得られる程度に配合されている。 As shown in FIG. 3, in the method of applying the fluid resin composition, the fluid resin composition 80 is supplied onto the active region 20 and the electric field relaxation region 50 by application or the like. The fluid resin composition 80 can be obtained by dissolving or dispersing the insulating resin 60b in an appropriate solvent or medium and further dispersing the carbon nanotubes 60a. In the fluid resin composition 80, the insulating resin 60b and the carbon material particles 60a are blended to such an extent that desired conductivity is obtained.
アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０上に流動性樹脂組成物８０を供給したら、必要に応じて加熱等して流動性樹脂組成物８０を乾燥ないし硬化させる。乾燥ないし硬化により、図１に示す樹脂膜６０が形成される。 When the fluid resin composition 80 is supplied onto the active region 20 and the electric field relaxation region 50, the fluid resin composition 80 is dried or cured by heating or the like as necessary. A resin film 60 shown in FIG. 1 is formed by drying or curing.
また、樹脂テープを貼り付ける方法は、図４に示すように、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０上に、カーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む樹脂テープ８４を貼り付ける。樹脂テープ８２は、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックス中カーボンナノチューブ６０ａが相互に接触して分散された構成を有している。 Further, as shown in FIG. 4, the resin tape is affixed by adhering a resin tape 84 including carbon nanotubes 60 a and insulating resin 60 b on the active region 20 and the electric field relaxation region 50. The resin tape 82 has a configuration in which the carbon nanotubes 60a in the matrix of the insulating resin 60b are dispersed in contact with each other.
以上に説明した何れの方法でも、樹脂膜６０を簡単に形成することができる。本製造方法によれば、カーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含む樹脂膜６０を形成するという簡易なプロセスで、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０における可動イオン等９０の影響を排除できる。 With any of the methods described above, the resin film 60 can be easily formed. According to this manufacturing method, the influence of movable ions 90 in the active region 20 and the electric field relaxation region 50 can be eliminated by a simple process of forming the resin film 60 including the carbon nanotubes 60a and the insulating resin 60b.
さらに、樹脂膜６０はカーボンナノチューブ６０ａと絶縁性樹脂６０ｂとを含んでおり、表面保護膜やパッシベーション膜の代替層になりうるため、従来の積層構造よりも簡易に、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０における可動イオン等９０の影響を抑制した半導体装置１０を製造できる。 Furthermore, since the resin film 60 includes the carbon nanotube 60a and the insulating resin 60b and can be a substitute layer for the surface protective film and the passivation film, the active region 20 and the electric field relaxation region can be more easily than the conventional laminated structure. Thus, the semiconductor device 10 can be manufactured in which the influence of the movable ions 90 and the like at 50 is suppressed.
また、樹脂膜６０の導電性等は、樹脂膜６０の組成で調節できるため、高い精度の膜厚制御も回避でき、再現性よく、可動イオン等９０の影響を抑制して耐電圧特性の変動が抑制された半導体装置１０を製造できる。 In addition, since the conductivity and the like of the resin film 60 can be adjusted by the composition of the resin film 60, high-precision film thickness control can be avoided and the influence of the movable ions 90 can be suppressed with good reproducibility and fluctuations in withstand voltage characteristics. Can be manufactured.
上述した実施形態の半導体装置１０においては、樹脂膜６０は、アクティブ領域２０と電界緩和領域５０の双方を被覆するように形成されていたが、電界緩和領域５０の表面の少なくとも一部を被覆するものであればよい。好ましくは、樹脂膜６０は、電界緩和領域５０の全体を被覆し、さらに好ましくは、アクティブ領域２０の一部又は全部に及ばせる。 In the semiconductor device 10 of the embodiment described above, the resin film 60 is formed so as to cover both the active region 20 and the electric field relaxation region 50, but covers at least a part of the surface of the electric field relaxation region 50. Anything is acceptable. Preferably, the resin film 60 covers the entire electric field relaxation region 50, and more preferably extends over part or all of the active region 20.
半導体装置１０においては、アクティブ領域２０内にＩＧＢＴが形成されていたが、アクティブ領域２０内に他の半導体素子が形成されていてもよい。例えば、ＭＯＳＦＥＴやダイオード等が形成されていてもよい。 In the semiconductor device 10, the IGBT is formed in the active region 20, but another semiconductor element may be formed in the active region 20. For example, a MOSFET or a diode may be formed.
半導体装置１０においては、電界緩和領域５０内にリサーフ領域５６が形成されていたが、半導体基板に形成する電界緩和構造はリサーフ領域５６に限られない。例えば、リサーフ領域５６に替えて、あるいは追加してＦＬＲ構造、電界緩和を意図した厚みの絶縁膜、フィールドプレート構造，ＥＱＲ等の別の構造が形成されていてもよい。また、アクティブ領域２０及び電界緩和領域５０には、シールド効果を発揮する導電性膜を樹脂膜６０よりも半導体基板１２側に備えていてもよい。 In the semiconductor device 10, the RESURF region 56 is formed in the electric field relaxation region 50, but the electric field relaxation structure formed on the semiconductor substrate is not limited to the RESURF region 56. For example, instead of or in addition to the RESURF region 56, another structure such as an FLR structure, an insulating film having a thickness intended for electric field relaxation, a field plate structure, or an EQR may be formed. Further, the active region 20 and the electric field relaxation region 50 may be provided with a conductive film exhibiting a shielding effect on the semiconductor substrate 12 side with respect to the resin film 60.
半導体装置１０においては、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子として、カーボンナノチューブを用いたがこれに限定するものではない。炭素材料粒子としては、カーボンナノホーン、グラフェン及びフラーレン等が挙げられる。粒子の大きさは特に限定しないで適宜選択して用いられる。炭素材料粒子６０ａは、半導電性及び導電性のいずれかあるいはこれらの双方の電子状態を含むことができる。 In the semiconductor device 10, carbon nanotubes are used as the carbon material particles having a carbon six-membered ring network, but the present invention is not limited to this. Examples of the carbon material particles include carbon nanohorn, graphene, fullerene and the like. The size of the particles is not particularly limited and is appropriately selected and used. The carbon material particles 60a can include either semi-conductive and conductive or both electronic states.
絶縁性樹脂６０ｂは、各種の熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂から、絶縁性、耐熱性、機械的強度、熱伝導性等を考慮して１種又は２種以上が選択される。樹脂膜６０を表面保護膜と併用するときには、耐薬品性が高いことが好ましく、分子鎖が長いか及び／又は３次元架橋構造を備えるものが好ましい。また、絶縁性樹脂６０ｂは、カーボンナノチューブなどの炭素材料粒子の添加効果を考慮すると、非晶質性樹脂が好ましい。 The insulating resin 60b is selected from one or more of various thermoplastic resins and thermosetting resins in consideration of insulation, heat resistance, mechanical strength, thermal conductivity, and the like. When the resin film 60 is used in combination with the surface protective film, it is preferable that the chemical resistance is high, and it is preferable that the molecular chain is long and / or has a three-dimensional crosslinked structure. The insulating resin 60b is preferably an amorphous resin in consideration of the effect of adding carbon material particles such as carbon nanotubes.
絶縁性樹脂６０ｂとしては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、非晶質樹脂のいずれもを用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂及びウレタン樹脂が好ましく用いられる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリアミドイミド及びポリイミドも好ましく用いられる。また、非晶質樹脂としては、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド及びポリアミドイミドが好ましく用いられる。 As the insulating resin 60b, any of a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and an amorphous resin can be used. As the thermosetting resin, for example, a phenol resin, an epoxy resin, and a urethane resin are preferably used. In addition, polyamideimide and polyimide are also preferably used as the thermoplastic resin. As the amorphous resin, polycarbonate, polyphenylene ether, polyarylate, polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, and polyamideimide are preferably used.
半導体装置１０においては、樹脂膜６０は、絶縁性樹脂６０ｂのマトリックスに均一にカーボンナノチューブ６０ａが分散されていたが、半導体基板１２側に、カーボンナノチューブ６０ａなどの炭素材料粒子の濃度が増大する傾斜組成であってもよい。こうした組成であると、電界緩和領域５０等の表面近傍において効果的に可動イオン等９０の影響を抑制できる。炭素材料粒子は、基板１２側に局在していてもよい。 In the semiconductor device 10, the carbon nanotube 60a is uniformly dispersed in the matrix of the insulating resin 60b in the resin film 60. However, the resin film 60 is inclined so that the concentration of carbon material particles such as the carbon nanotube 60a increases on the semiconductor substrate 12 side. It may be a composition. With such a composition, the influence of movable ions 90 and the like can be effectively suppressed near the surface of the electric field relaxation region 50 and the like. The carbon material particles may be localized on the substrate 12 side.
こうした絶縁性樹脂６０ｂにおける炭素材料粒子６０ａの配合形態は、容易に調節できる。例えば、流動性樹脂組成物８０を供給して樹脂膜６０を形成する場合には、炭素材料粒子６０ａの含有量が多い（濃度が大きい）流動性樹脂組成物を塗布し、その後、より含有量の少ない流動性樹脂組成物を塗布等により供給してもよい。また、炭素材料粒子６０ａが絶縁性樹脂６０ｂ中を重力等で沈降するような組成の流動性樹脂組成物を準備し、かかる流動性樹脂組成物を塗布して、一定時間放置することで、炭素材料粒子６０ａを半導体基板１２側に高濃度に存在させることができる。 The blending form of the carbon material particles 60a in the insulating resin 60b can be easily adjusted. For example, in the case where the resin film 60 is formed by supplying the fluid resin composition 80, the fluid resin composition having a large content (high concentration) of the carbon material particles 60a is applied, and then the content is further increased. A less fluid resin composition may be supplied by coating or the like. Further, by preparing a fluid resin composition having such a composition that the carbon material particles 60a settle in the insulating resin 60b due to gravity or the like, and applying the fluid resin composition and leaving it for a certain period of time, carbon The material particles 60a can be present at a high concentration on the semiconductor substrate 12 side.
また、樹脂テープ８２で樹脂膜６０を形成する場合には、炭素材料粒子の含有量の異なる樹脂テープを濃度の高い順に積層してもよいし、予め傾斜組成を有する樹脂テープ８２を用いてもよい。 Moreover, when forming the resin film 60 with the resin tape 82, you may laminate | stack the resin tape from which content of carbon material particle differs in order of density | concentration, or may use the resin tape 82 which has a gradient composition beforehand. Good.
上述した半導体装置は、絶縁性樹脂が非晶質性樹脂から選択されることが好ましい。この非晶質性樹脂は、炭素材料粒子の分散が良好であり、炭素材料粒子による導電性、機械的強度、熱伝導性及び耐熱性の調整が容易である。表面保護膜には所望の各種特性が安定的に付与されているため、安定した耐電圧特性を発揮する半導体装置となっている。 In the semiconductor device described above, the insulating resin is preferably selected from amorphous resins. This amorphous resin has good dispersion of the carbon material particles, and it is easy to adjust the conductivity, mechanical strength, thermal conductivity and heat resistance of the carbon material particles. Since various desired characteristics are stably imparted to the surface protective film, it is a semiconductor device that exhibits stable withstand voltage characteristics.
以上、実施形態について詳細に説明したが、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。 The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
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。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
１０ 半導体装置、１２ 半導体基板、１２ａ 端面、２２ エミッタ電極、５４、６４ 電極、２４ エミッタ領域、２６ ボディ領域、２８ ゲート電極、３０ ドリフト領域、５２ ディープｐ型領域、５６ リサーフ領域、６０ 樹脂膜、６０ａ カーボンナノチューブ、６０ｂ 絶縁性樹脂、８０ 流動性樹脂組成物、８２ 樹脂テープ、９０ 可動イオン等 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device, 12 Semiconductor substrate, 12a End surface, 22 Emitter electrode, 54, 64 Electrode, 24 Emitter area | region, 26 Body area | region, 28 Gate electrode, 30 Drift area | region, 52 Deep p-type area | region, 56 RESURF area | region, 60 Resin film | membrane, 60a carbon nanotube, 60b insulating resin, 80 fluid resin composition, 82 resin tape, 90 mobile ions, etc.
Claims (7)
半導体素子が形成されているアクティブ領域と、
前記アクティブ領域の外周側に備えられる電界緩和領域と、
前記電界緩和領域の少なくとも一部を被覆する、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜と、
を備える、半導体装置。 A semiconductor device,
An active region in which a semiconductor element is formed;
An electric field relaxation region provided on the outer peripheral side of the active region;
A resin film containing carbon material particles having a carbon six-membered ring network and an insulating resin, covering at least a part of the electric field relaxation region;
A semiconductor device comprising:
半導体素子が形成されているアクティブ領域と、前記アクティブ領域の外周側に備えられる電界緩和領域と、を備える半導体基板の前記電界緩和領域の表面に対し、炭素六員環ネットワークを有する炭素材料粒子と絶縁性樹脂とを含む樹脂膜を形成する工程、
を備える、製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
A carbon material particle having a carbon six-membered ring network with respect to a surface of the electric field relaxation region of a semiconductor substrate comprising: an active region in which a semiconductor element is formed; and an electric field relaxation region provided on an outer peripheral side of the active region; Forming a resin film containing an insulating resin;
A manufacturing method comprising:
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