JP6414159B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。

特許文献１には、半導体基板と、半導体基板の上部に設けられたポリシリコン層を有する半導体装置が開示されている。ポリシリコン層に、ｐ型層とｎ型層を備えるダイオード（いわゆる、温度検出ダイオード）が設けられている。

特開２０１１−１５５２８９号公報

発明者らは、特許文献１のように半導体基板の上部のポリシリコン層に設けられたダイオードにおいては、ポリシリコン層の界面に、ダングリングボンド等の電気的に活性な欠陥が多く存在することを発見した。そのため、ダイオードにリーク電流が流れやすいという問題がある。したがって、本明細書では、半導体基板の上部のポリシリコン層に設けられているダイオードのリーク電流を抑制する技術を提供する。

本明細書に開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板に固定されたポリシリコン層と、ポリシリコン層の内部に配置されている窒化シリコン層を有する。ポリシリコン層は、ｎ型層と、ｎ型層に接するｐ型層を備える。

なお、上記の「半導体基板に固定されたポリシリコン層」は、半導体基板の表面に直接設けられたポリシリコン層（半導体基板に接するポリシリコン層）であってもよいし、半導体基板の表面に他の層（例えば絶縁層）が設けられており、当該他の層の表面に設けられたポリシリコン層（すなわち、半導体基板とポリシリコン層の間に他の層が存在する場合のポリシリコン層）であってもよい。

上記の半導体装置では、ポリシリコン層内のｎ型層とｐ型層によってダイオードが構成されている。また、ポリシリコン層に接する位置に窒化シリコン層が配置されている。窒化シリコン層の成膜時には、窒化シリコン層中に水素原子が多く含まれる。窒化シリコン層及びポリシリコン層の成膜時や成膜後に、窒化シリコン層からポリシリコン層に水素原子が拡散する。これによって、水素原子がダングリングボンド等の欠陥（ポリシリコン層中の欠陥）と結びつく（いわゆる、水素終端）。したがって、欠陥が電気的に安定し、ダイオードにリーク電流が流れづらくなる。この構造によれば、半導体基板の上部のポリシリコン層に設けられているダイオードのリーク電流を抑制することができる。

また、本明細書は、半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、第１工程と第２工程を有する。第１工程では、半導体基板の上部に、ポリシリコン層と、前記ポリシリコン層に接する水素含有層を形成する。前記ポリシリコン層は、ｎ型層と前記ｎ型層に接するｐ型層を備える。第２工程では、前記ポリシリコン層と前記水素含有層を加熱する。

なお、上記の「半導体基板の上部」は、半導体基板の表面に接する位置であってもよいし、半導体基板の表面から離れた位置であってもよい。すなわち、ポリシリコン層また水素含有層が、半導体基板の表面に接する位置に形成されてもよいし、半導体基板の表面から離れた位置（他の層が間に介在する位置）であってもよい。また、上記の「水素含有層」は、窒化シリコン層であってもよいし、水素を含有する窒化シリコン層以外の層であってもよい。

第２工程では、加熱によって水素含有層から水素原子が離脱し、水素原子がポリシリコン層に拡散する。これによって、水素原子がダングリングボンド等の欠陥（ポリシリコン層中の欠陥）と結びつき、欠陥が電気的に安定する。その結果、ポリシリコン層のダイオード（ポリシリコン層中のｎ型層とｐ型層により構成されるダイオード）にリーク電流が流れづらくなる。

実施形態に係る半導体装置の上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、半導体基板上に絶縁膜を成膜したときの半導体装置の断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、半導体基板上にポリシリコン層を成膜したときの半導体装置の断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、半導体基板上に窒化シリコン層を成膜したときの半導体装置の断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、半導体基板上にポリシリコン層を成膜したときの半導体装置の断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、半導体基板上に層間膜を成膜したときの半導体装置の断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図であって、半導体基板上にカソード電極およびアノード電極を形成したときの半導体装置の断面図である。 変形例の半導体装置の図２に対応する断面図である。 変形例の半導体装置の図２に対応する断面図である。 変形例の半導体装置の図２に対応する断面図である。

図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１は、半導体基板１０と、表面電極１２と、裏面電極（図示省略）と、ダイオード５０を備えている。半導体基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等から構成されている。半導体基板１０には、半導体素子として、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やダイオードなどが形成されている。半導体素子が例えばＩＧＢＴである場合、半導体基板１０には、エミッタ領域、コレクタ領域、ボディ領域、ドリフト領域などが形成されている。表面電極１２は、半導体基板１０の表面に設けられている。図示していないが、裏面電極は、半導体基板１０の裏面に設けられている。半導体基板１０に設けられている半導体素子がオンすると、表面電極１２と裏面電極の間に電流が流れる。半導体素子は、動作中に発熱する。

ダイオード５０は、半導体基板１０の上部に配置されている。ダイオード５０は、半導体基板１０の表面の中心部の上部に配置されている。図２に示すように、ダイオード５０が存在する部分（すなわち、半導体基板１０の中心部）には、表面電極１２が設けられていない。この部分では、半導体基板１０上に絶縁膜５５が配置されている。絶縁膜５５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって構成されている。

絶縁膜５５上に、ポリシリコン層１５０が配置されている。ポリシリコン層１５０は、ｎ型層５１とｐ型層５２とを備えている。ｐ型層５２はｎ型層５１に接している。ｎ型層５１とｐ型層５２によってダイオード５０が構成されている。

ｎ型層５１の内部には、複数の窒化シリコン層５８が配置されている。同様に、ｐ型層５２の内部にも、複数の窒化シリコン層５８が配置されている。窒化シリコン層５８の周囲全体が、ポリシリコン層１５０によって覆われている。窒化シリコン層５８は、例えば、ＳＩｎＳｉＮ（Semi-insulating Silicon Nitride：半絶縁性窒化シリコン）またはｐ型ＳｉＮにより構成されている。

ポリシリコン層１５０の表面には、層間膜５６が配置されている。層間膜５６は、絶縁性を有している。層間膜５６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により構成されている。層間膜５６は、２つの開口部１５６、１５７を有している。開口部１５６がｎ型層５１上に配置されており、開口部１５７がｐ型層５２上に配置されている。

開口部１５６内のｎ型層５１に接するように、カソード電極５３が配置されている。カソード電極５３は、ｎ型層５１の表面に接するバリア層５３ａと、バリア層５３ａ上に配置されている電極層５３ｂを備えている。バリア層５３ａは、例えばチタン（Ｔｉ）により構成されている。電極層５３ｂは、例えばアルミニウム合金（ＡｌＳｉ）により構成されている。

開口部１５７内のｐ型層５２に接するように、アノード電極５４が配置されている。アノード電極５４は、ｐ型層５２の表面に接するバリア層５４ａと、バリア層５４ａの表面に接する電極層５４ｂを備えている。バリア層５４ａは、例えばチタン（Ｔｉ）により構成されている。電極層５４ｂは、例えばアルミニウム合金（ＡｌＳｉ）により構成されている。

カソード電極５３、アノード電極５４および層間膜５６を覆うように、保護膜５７が配置されている。保護膜５７は、絶縁性を有している。保護膜５７は、例えばポリイミドにより構成されている。

次に、半導体装置１の製造方法を説明する。なお、この製造方法はダイオード５０の形成に特徴を有するので、ダイオード５０の形成に関連する工程について以下に説明し、その他の工程については説明を省略する。

まず、図３に示すように、半導体基板１０上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層を堆積し、その後に酸化シリコン層をパターニングすることで、絶縁膜５５を形成する。

次に、絶縁膜５５上にポリシリコン層１５０と窒化シリコン層５８を形成する。ポリシリコン層１５０と窒化シリコン層５８は、以下のように形成される。まず、図４に示すように、絶縁膜５５上に、ポリシリコンにより構成されている下層１５０ａを成膜する。次に、下層１５０ａの一部（図３の左側の部分）にリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）を注入してｎ型層５１ａを形成する。次に、下層１５０ａの一部（図３の右側の部分）にボロン（Ｂ）を注入してｐ型層５２ａを形成する。次に、図５示すように、下層１５０ａ上に、窒化シリコン層５８を成膜し、その後窒化シリコン層５８をパターニングする。窒化シリコン層５８は、シラン(ＳｉＨ_４)とアンモニア（ＮＨ_３）またはシランと窒素（Ｎ_２）を原料として用いたプラズマＣＶＤ法などの方法を用いて成膜される。窒化シリコン層５８を成膜する際に、窒化シリコン層５８内に水素が取り込まれる。このため、窒化シリコン層５８の水素含有量は高い。次に、図６に示すように、窒化シリコン層５８上に、ポリシリコンにより構成されている上層１５０ｂを成膜する。次に、上層１５０ｂの一部（図６の左側の部分）にリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）を注入してｎ型層５１ｂを形成する。次に、上層１５０ｂの一部（図６の右側の部分）にボロン（Ｂ）を注入してｐ型層５２ｂを形成する。上層１５０ｂと下層１５０ａによって上述したポリシリコン層１５０が構成される。また、上層１５０ｂのｎ型層５１ｂと下層１５０ａのｎ型層５１ａによって上述したｎ型層５１が構成される。また、上層１５０ｂのｐ型層５２ｂと下層１５０ａのｐ型層５２ａによって上述したｐ型層５２が構成される。以上の工程により、内部に窒化シリコン層５８が配置されたポリシリコン層１５０が完成する。

次に、図７に示すように、ポリシリコン層１５０上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を堆積することによって層間膜５６を形成する。次に、層間膜５６に開口部１５６、１５７を形成する。その後、図８に示すように、開口部１５６、１５７内のポリシリコン層１５０の表面にチタン（Ｔｉ）をスパッタ法等により成膜することで、バリア層５３ａ、５４ａを形成する。さらに、バリア層５３ａ、５４ａ上に、アルミニウム合金（ＡｌＳｉ）をスパッタ法等により成膜することで、電極層５３ｂ、５４ｂを形成する。この段階では、ポリシリコン層１５０の界面（すなわち、ポリシリコン層１５０と他の層（層間膜５６、バリア層５３ａ、５４ａ、絶縁膜５５等）との界面、及び、ポリシリコン層１５０が露出している表面（側面））にダングリングボンド等の電気的に活性な結晶欠陥が多く存在する。

次に、半導体基板１０を加熱する。すると、窒化シリコン層５８から水素原子が離脱する。窒化シリコン層５８から離脱した水素原子は、ポリシリコン層１５０内に拡散する。これによって、水素原子がポリシリコン層１５０の界面に存在するダングリングボンド等の欠陥（ポリシリコン層１５０中の欠陥）と結びつく。これによって、欠陥が電気的に安定する。つまり、ポリシリコン層１５０の界面が水素原子により終端される。

次に、ポリイミドを成膜してパターニングすることで保護膜５７を形成する。以上により、図２に示すダイオード５０の構造が得られる。

次に、半導体装置１の動作について説明する。半導体基板１０の内部の半導体素子が動作すると、半導体基板１０が高温となる。ダイオード５０は、半導体基板１０の温度を計測するための温度検出ダイオードとして利用される。ダイオード５０には、一定値の順電流が流される。半導体基板１０の温度変化に伴ってダイオード５０の温度が変化すると、ダイオード５０の順方向電圧降下が変化する。したがって、ダイオード５０の順方向電圧降下を測定することで、半導体基板１０の温度を測定することができる。ポリシリコン層１５０の界面が水素により終端されているので、ダイオード５０にリーク電流が生じ難い。このため、ダイオード５０のｐｎ接合に流れる電流を正確に制御することができ、ダイオード５０の順方向電圧降下と温度との相関がより安定する。したがって、このダイオード５０によれば、半導体基板１０の温度をより正確に測定することができる。

なお、上記の実施形態では、ポリシリコン層１５０の内部に窒化シリコン層５８が配置されている構成について説明したが、ポリシリコン層１５０に隣接する他の位置に窒化シリコン層５８を配置してもよい。例えば、図９に示すように、ポリシリコン層１５０と層間膜５６の間に、窒化シリコン層５８を配置してもよい。または、図１０に示すように、絶縁膜５５とポリシリコン層１５０の間に、窒化シリコン層５８を配置してもよい。また、図１１に示すように、図２、９、１０の窒化シリコン層５８の配置を組み合わせてもよい。また、絶縁膜５５及び層間膜５６（すなわち、酸化シリコン）は、成膜時に水分を含みやすい。このため、酸化シリコン膜とポリシリコン層１５０とが隣接すると、水分の影響によりこれらの界面にリーク電流が流れ易い。図９〜１１のように酸化シリコン膜とポリシリコン層１５０の間に窒化シリコン層５８が配置されていると、ポリシリコン層１５０側への水分の進入を防止することができ、さらにリーク電流を抑制することができる。

また、上記の実施形態では、半導体基板１０を加熱することにより、窒化シリコン層５８から水素原子を離脱させた。しかし、カソード電極５３やアノード電極５４等の電極を成膜するときに、半導体基板１０を加熱することで、成膜工程と加熱工程を兼用してもよい。

また、上記の実施例では、製造工程においてポリシリコン層１５０に水素を供給する層として窒化シリコン層５８を用いたが、水素を含有する他の層を用いてもよい。成膜時においてポリシリコン層１５０よりも水素含有量が高い層を用いることができる。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の構成では、ポリシリコン層のｎ型層とｐ型層が、半導体基板の温度を検出する温度検出ダイオードである。

このような構成によれば、ポリシリコン層に設けられている温度検出ダイオードのリーク電流が抑制されるので、より正確に半導体基板の温度を検出することができる。

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。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１ ：半導体装置
１０ ：半導体基板
１２ ：表面電極
５０ ：ダイオード
５１ ：ｎ型層
５２ ：ｐ型層
５３ ：カソード電極
５４ ：アノード電極
５５ ：絶縁膜
５６ ：層間膜
５７ ：保護膜
５８ ：窒化シリコン層
１５０：ポリシリコン層

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に固定されたポリシリコン層と、
   前記ポリシリコン層に接する複数の窒化シリコン層、
   を備えた半導体装置であって、
   前記ポリシリコン層が、ｎ型層と、前記ｎ型層に接するｐ型層を備え、
   前記ｎ型層と前記ｐ型層のそれぞれの内部に、前記窒化シリコン層が配置されており、
   前記各窒化シリコン層の周囲全体が、前記ポリシリコン層によって覆われている、
   半導体装置。
2. 前記ｎ型層と前記ｐ型層が、前記半導体基板の温度を検出する温度検出ダイオードである請求項１に記載の半導体装置。
3. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体基板の上部に、ｎ型層と前記ｎ型層に接するｐ型層を備えるポリシリコン層と、前記ポリシリコン層に接する複数の水素含有層を形成する工程と、
   前記ポリシリコン層と前記水素含有層を加熱する工程、
   を備え、
   前記ポリシリコン層と前記水素含有層を形成する工程では、前記ｎ型層と前記ｐ型層のそれぞれの内部に前記水素含有層が配置され、前記各水素含有層の周囲全体が前記ポリシリコン層によって覆われるように、前記ポリシリコン層と前記水素含有層を形成する、
   製造方法。

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