半导体装置的制作方法

在本说明书中公开的技术涉及半导体装置。

背景技术：

日本特开平10-27900号公报公开了平面栅极型的半导体装置。该半导体装置具备：半导体基板；覆盖半导体基板的上表面的一部分的绝缘膜；设置于绝缘膜的内部，隔着绝缘膜而与半导体基板的上表面对向的栅电极；与半导体基板的上表面的另一部分相接的上表面电极；与半导体基板的下表面相接的下表面电极。

半导体基板具备：在上表面与上表面电极相接的n型的第一半导体区域(源极区域或发射极区域)；位于第一半导体区域的周围，并在上表面隔着绝缘膜而与栅电极对向的p型的体层(也称为基极层)；位于体层与下表面电极之间的n型的漂移层。漂移层具有通过体层而向半导体基板的上表面延伸的部分(以下，称为体通过部分)，在该上表面隔着绝缘膜而与栅电极对向。

技术实现要素：

在平面栅极型的半导体装置中，在上述的体通过部分，电流密度升高，因此体通过部分的温度容易变高。特别是在半导体装置中大的电流流动时，因为在半导体基板产生的电压下降，空乏层从与体层的pn接合面向体通过部分发展。其结果是，体通过部分的电流密度进一步提高，体通过部分的温度上升也变得更显著。如果体通过部分的温度局部性地上升，则半导体基板在体通过部分局部性地发生热膨胀，位于体通过部分的正上方的绝缘膜或栅电极产生变形。如果在绝缘膜或栅电极产生的变形过大，则例如在缺乏弹性的绝缘膜中，可能会产生裂纹这样的破损。如果在绝缘膜产生裂纹这样的破损，则栅电极与上表面电极(或半导体基板)之间的绝缘性下降，由此例如半导体装置可能无法正常动作。

鉴于上述的问题，本说明书提供一种能抑制在绝缘膜产生裂纹这样的破损的情况的技术。

本说明书公开的半导体装置具备：半导体基板；绝缘膜，覆盖半导体基板的上表面的一部分；栅电极，隔着绝缘膜而与半导体基板的上表面对向；上表面电极，与半导体基板的上表面的另一部分相接；及下表面电极，与半导体基板的下表面相接。半导体基板具备：n型的第一半导体区域，在上表面与上表面电极相接；p型的体层，位于第一半导体区域的周围，并在上表面隔着绝缘膜而与栅电极对向；及n型的漂移层，位于体层与下表面电极之间并具有通过体层而向上表面延伸的部分(即，体通过部分)，在上表面隔着绝缘膜而与栅电极对向。绝缘膜从栅电极的下表面通过栅电极与上表面电极之间延伸至栅电极的上表面，并在栅电极的上表面划定开口。在通过与栅电极对向的漂移层的对向面并与该对向面垂直的直线的集合即第一区域内，在栅电极的上表面不存在绝缘膜。

前述的绝缘膜的破损是由体通过部分的局部性的热膨胀引起的。由此，绝缘膜的破损在体通过部分的正上方且在位于栅电极的上表面的部分容易产生。由此，在本说明书公开的技术中，在位于体通过部分的正上方的区域中，采用在栅电极的上表面未设置绝缘膜的结构。如果准确地表现位于体通过部分的正上方的区域，则可以规定为通过与栅电极对向的漂移层的对向面并与该对向面垂直的直线的集合。在本说明书中，将该区域称为第一区域。在本说明书公开的半导体装置中，至少在该第一区域中，从栅电极的上表面将绝缘膜排除。由此，即使在由于例如外部电路的短路等而在半导体装置过大的电流流动，体通过部分的温度局部性地上升时，也能够有效地抑制在绝缘膜产生裂纹这样的破损的情况。另一方面，绝缘膜从栅电极的下表面通过栅电极与上表面电极之间延伸至栅电极的上表面。因此，即使在绝缘膜形成开口，也能够充分维持栅电极与上表面电极之间所需的绝缘性。

附图说明

图1示出实施例1的半导体装置10的剖面结构。

图2是详细表示绝缘膜19的结构的图。

图3示意性地示出在半导体基板12的内部流动的电流(虚线箭头)。

图4示意性地示出在绝缘膜19产生的变形。

图5示出实施例2的半导体装置110的剖面结构。

图6示出实施例3的半导体装置210的剖面结构。

图7示出实施例4的半导体装置310的剖面结构。

图8示意性地示出在比较例的半导体装置11中，在绝缘膜19产生的变形。

具体实施方式

在本技术的一实施方式中，在通过漂移层的对向面并相对于该对向面呈45度的角度的直线的集合即第二区域内，在栅电极的上表面也可以不存在绝缘膜。绝缘膜的破损不仅在体通过部分的正上方(即，第一区域)，而且也可能在位于其周围的区域产生。关于这一点，根据本发明者们的验证，确认到了即使在从位于半导体基板的上表面的漂移层的对向面，一边以左右45度的角度扩展一边向上方延伸的区域，也容易产生绝缘膜的破损。如果准确地表现该区域，则可以规定为通过漂移层的对向面并相对于该对向面呈45度的角度的直线的集合。在本说明书中，将该区域称为第二区域。在第一区域的基础上，当在第二区域也从栅电极的上表面排除了绝缘膜时，能够进一步抑制在绝缘膜产生破损。

在本技术的一实施方式中，半导体装置可以还具备吸热构件，该吸热构件在绝缘膜的开口内与栅电极的上表面相接，并且体积热容量比绝缘膜大。当在绝缘膜形成开口时，绝缘膜的热容量下降，由此热量容易蓄积于半导体基板(特别是体通过部分)。然而，当体积热容量比绝缘膜大的吸热构件在绝缘膜的开口内与栅电极的上表面相接时，能够通过吸热构件吸收在体通过部分产生的热量。由此，能够抑制体通过部分的温度上升，减少体通过部分的局部性的热膨胀。

在上述的实施方式中，栅电极的上表面中的至少位于第一区域内的部分可以与吸热构件相接。根据这样的结构，吸热构件能够有效地吸收在体通过部分产生的热量，进一步抑制体通过部分的温度上升。

在上述结构的基础上或取代上述结构，吸热构件也可以由金属构成。当与栅电极相接的吸热构件由金属构成时，也能够降低栅电极的寄生电阻。通过降低栅电极的寄生电阻，能够提高半导体装置的开关速度。吸热构件所采用的具体的金属没有特别限定。作为一例，在绝缘膜为氧化硅(sio2)的情况下，吸热构件可以采用金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钼(mo)、镍(ni)、或以它们中的至少一种为主成分的合金。

作为另一实施方式，吸热构件也可以由金属以外的导体构成，也可以由绝缘体构成。在利用绝缘体构成吸热构件的情况下，该绝缘体可以采用例如树脂这样的有机物或高分子材料。有机物或高分子材料与金属同样地难以产生裂纹这样的破损，因此可以作为吸热构件的材料采用。而且，当吸热构件由绝缘体构成时，也能够提高栅电极与上表面电极之间的绝缘性。作为吸热构件可采用的材料，可列举例如聚酰亚胺、环氧树脂。

在本技术的一实施方式中，栅电极可以由多晶硅构成。而且，上表面电极可以由金属构成。根据这样的结构，通过栅电极或上表面电极对半导体基板的热量进行吸收/散热，能够抑制半导体基板的温度上升。但是，构成栅电极或上表面电极的材料只要是具有导电性的材料即可，不限定为在此例示的材料。

在本技术的一实施方式中，绝缘膜可以由是无机物且具有共价键的绝缘体构成。在这样的绝缘体中，作为一例，可列举氧化硅、氮化硅(si3n4)、氮化铝(aln)。这些材料在变形时容易破损。因此，在绝缘膜中采用这些材料的情况下，本技术能够更显著地发挥其效果。

在本技术的一实施方式中，半导体基板可以还具备n型的漏极层，该n型的漏极层位于漂移层与下表面电极之间并在下表面与下表面电极相接。根据这样的结构，半导体装置能够具有mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)的结构。这种情况下，第一半导体区域相当于mosfet的源极区域。

在本技术的一实施方式中，半导体基板可以还具备p型的集电极层，该p型的集电极层位于漂移层与下表面电极之间并在下表面与下表面电极相接。根据这样的结构，半导体装置能够具有igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)的结构。这种情况下，第一半导体区域相当于igbt的集电极区域。

以下，参照附图对本技术的代表性的且非限定性的具体例进行详细说明。该详细的说明单纯地有意将用于实施本技术的若干例子的详情向本领域技术人员展示，无意限定本公开的范围。而且，以下公开的追加性的特征以及技术为了提供进一步改善的半导体装置、以及其使用方法及制造方法，可以与其他的特征或技术分别或一起使用。

另外，在以下的详细的说明中公开的特征或工序的组合不是在最广泛的意思下实施本公开时必须的，仅是为了特别说明本公开的代表性的具体例而记载的。而且，上述及下述的代表性的具体例的各种特征、以及独立及从属权利要求记载的各种特征并不是在提供本公开的追加性的且有用的实施方式时，必须按照在此记载的具体例那样或按照列举的顺序那样组合。

本说明书及/或发明内容记载的全部的特征是指与实施例及/或发明内容记载的特征的结构分别作为对于申请当初的公开以及主张权利的特定事项的限定，单独且相互独立地公开。而且，关于全部的数值范围及组或集合的记载作为对于申请当初的公开以及主张权利的特定事项的限定，具有公开它们的中间的结构的意图。

(实施例1)

参照附图，对实施例1的半导体装置10进行说明。本实施例的半导体装置10是属于功率半导体元件的开关元件，详细而言具有mosfet的结构。半导体装置10例如在机动车中，可以采用于转换器或逆变器这样的电力转换电路。在此所说的机动车包括例如混合动力车、燃料电池车或电动汽车这样的具有对车轮进行驱动的电动机的各种汽车。

如图1所示，半导体装置10具备半导体基板12、覆盖半导体基板12的上表面12a的一部分的绝缘膜19、隔着绝缘膜19而与半导体基板12的上表面12a对向的栅电极18、设置于半导体基板12的上表面12a的上表面电极14、设置于半导体基板12的下表面12b的下表面电极16。需要说明的是，在本实施例的半导体装置10中，图1所示的剖面结构沿着与图1的纸面垂直的方向连续并沿图1的左右方向反复形成。

绝缘膜19由具有绝缘性的材料构成。构成绝缘膜19的材料没有特别限定，例如可以为氧化硅(sio2)。绝缘膜19介于半导体基板12的上表面12a与栅电极18之间。而且，绝缘膜19从栅电极18的下表面18b，通过栅电极18与上表面电极14之间，延伸至栅电极18的上表面18a。并且，绝缘膜19在栅电极18的上表面18a中划定开口19a。即，绝缘膜19局部性地覆盖栅电极18的上表面18a。关于绝缘膜19，在后文追加详细说明。

如前所述，栅电极18隔着绝缘膜19而与半导体基板12的上表面12a对向。需要说明的是，栅电极18的下表面18b是指位于栅电极18的半导体基板12侧的面，栅电极18的上表面18a是指位于栅电极18的与半导体基板12相反一侧的面。栅电极18由具有导电性的材料构成，该材料可以采用例如多晶硅。栅电极18通过绝缘膜19从半导体基板12及上表面电极14被电绝缘。

上表面电极14与半导体基板12的上表面12a的另一部分(即，未被绝缘膜19覆盖的部分)相接。下表面电极16与半导体基板12的下表面12b相接。上表面电极14和下表面电极16由具有导电性的材料构成。这些材料没有特别限定，可以采用al(铝)、ni(镍)、ti(钛)、au(金)这样的金属材料。但是，关于上表面电极14和下表面电极16的具体的结构没有特别限定。上表面电极14与半导体基板12的上表面12a欧姆接触，下表面电极16与半导体基板12的下表面12b欧姆接触。

在此，半导体基板12的上表面12a是指半导体基板12的一个主面，半导体基板12的下表面12b是指半导体基板12的另一个主面，即位于与上表面12a相反一侧的主面。在本说明书中，“上表面”及”下表面”这样的表现是便于区别相互位于相反一侧的两个面的表现，不限定半导体装置10的制造时或使用时的姿势。

半导体基板12具备源极区域20、体层22、漂移层24及漏极层26。作为一例，本实施例的半导体基板12是碳化硅(sic)基板。但是，半导体基板12可以是由硅(si)或氮化物半导体这样的其他的半导体材料构成的基板。

源极区域20是掺杂了n型杂质(例如磷这样的v族元素)的n型的半导体区域。源极区域20在半导体基板12的上表面12a与上表面电极14相接。源极区域20中的杂质浓度充分高，上表面电极14与源极区域20欧姆接触。源极区域20在半导体基板12的上表面12a也与绝缘膜19相接，源极区域20的一部分隔着绝缘膜19而与栅电极18对向。

体层22是掺杂了p型杂质(例如al)的p型的半导体区域。体层22设置于源极区域20的周围，将源极区域20从漂移层24隔离。体层22在半导体基板12的上表面12a，隔着绝缘膜19而与栅电极18对向。体层22在半导体基板12的上表面12a也与上表面电极14相接。由此，体层22构成为与上表面电极14为相同电位。作为一例，在本实施例的体层22中，在与上表面电极14接触的部分，杂质浓度局部性地升高。在向栅电极18施加规定的栅极电压时，在体层22，在与栅电极18对向的部分形成沟道(反转层)。由此，源极区域20与漂移层24电连接，半导体装置10被导通。

漂移层24是掺杂了n型杂质的n型的半导体区域。漂移层24位于体层22与下表面电极16之间(即，体层22的下方)。而且，漂移层24具有通过体层22向半导体基板12的上表面12a延伸的体通过部分24a。体通过部分24a在半导体基板12的上表面12a，隔着绝缘膜19而与栅电极18对向。以下，将在半导体基板12的上表面12a中漂移层24与栅电极18对向的部分24b称为漂移层24的对向面24b。漂移层24的对向面24b也是体通过部分24a的上端面。漂移层24中的杂质浓度远低于源极区域20中的杂质浓度，并低于体层22中的杂质浓度。

漏极层26是掺杂了n型杂质的n型的半导体区域。漏极层26位于漂移层24与下表面电极16之间，在半导体基板12的下表面12b与下表面电极16相接。漏极层26中的杂质浓度充分高，下表面电极16与漏极层26欧姆接触。需要说明的是，在本实施例中，漏极层26与漂移层24相接，但是也可以在漏极层26与漂移层24之间设置例如n型的缓冲层。这种情况下，缓冲层中的杂质浓度比漏极层26低且比漂移层24高即可。

接下来，参照图2，对绝缘膜19的详细结构进行说明。如前所述，绝缘膜19在栅电极18的上表面18a划定开口19a。由此，在位于体通过部分24a的正上方的区域x中，在栅电极18的上表面18a不存在绝缘膜19。在此，如果准确地表现位于体通过部分24a的正上方的区域x，则可以规定为通过漂移层24的对向面24b并与该对向面24b垂直的直线的集合。在本说明书中，将该区域x称为第一区域x。

在本实施例的半导体装置10中，没有特别限定，不仅在第一区域x，在图2所示的第二区域y中，在栅电极18的上表面18a也不存在绝缘膜19。该第二区域y是从漂移层24的对向面24b一边以左右45度的角度扩展一边向上方延伸的区域。准确地表现的话，第二区域y可以规定为通过漂移层24的对向面24b并相对于该对向面24b呈45度的角度的直线的集合。在第一区域x或第二区域y中，在栅电极18的上表面18a未设置绝缘膜19是为了抑制绝缘膜19产生破损的情况，详细在后文叙述。

接下来，参照图3，对半导体装置10的特征性的动作进行说明。如图3所示，在相对于上表面电极14而向下表面电极16施加了正的直流电压的状态下，如果相对于上表面电极14而向栅电极18施加规定的栅极电压，则电流在半导体基板12的内部从下表面电极16朝向上表面电极14流动。此时，在半导体基板12的内部，如图3中的虚线箭头示意性所示，电流避开体层22地流动。其结果是，电流集中于体通过部分24a，电流密度比较高，由此体通过部分的温度局部性地上升。特别是在大的电流在半导体装置10流动时，由于在半导体基板12产生的电压下降，空乏层dp从与体层22的pn接合面向体通过部分24a发展。其结果是，体通过部分24a的电流密度进一步提高，体通过部分24a的温度上升也更显著。

如图4所示，当体通过部分24a的温度局部性地上升时，半导体基板12在体通过部分24a局部性地发生热膨胀。其结果是，位于体通过部分24a的正上方的绝缘膜19或栅电极18产生变形。当绝缘膜19或栅电极18产生过大的变形时，例如在缺乏弹性的绝缘膜19中，可能会产生裂纹c这样的破损(以下，简称为裂纹c)。然而，在本实施例的半导体装置10中，在绝缘膜19形成有开口19a，栅电极18的上表面18a的一部分未由绝缘膜19覆盖。由此，能抑制在绝缘膜19产生裂纹c的情况。

相对于此，图8示出关于比较例的半导体装置11，在绝缘膜19产生了变形的状态。在比较例的半导体装置11中，栅电极18的上表面18a由绝缘膜19完全覆盖。如果为这样的结构，则在体通过部分24a发生了局部性地热膨时，绝缘膜19产生过大的变形，在绝缘膜19可能会产生裂纹c。该绝缘膜19的破损在体通过部分24a的正上方(即，第一区域x内)且位于栅电极18的上表面18a的部分容易产生。关于这一点，在本实施例的半导体装置10中，在第一区域x内，在栅电极18的上表面18a不存在绝缘膜19。因此，能够有效地抑制在绝缘膜19产生裂纹c的情况。另一方面，绝缘膜19从栅电极18的下表面18b通过栅电极18与上表面电极14之间延伸至栅电极18的上表面18a。因此，即使在绝缘膜19形成开口19a，也能够充分地维持栅电极18与上表面电极14之间所需的绝缘性。

绝缘膜19的裂纹c不仅在第一区域x，而且在位于其周围的区域也可能会产生。关于这一点，根据本发明者们的验证，确认到了在从位于半导体基板12的上表面12a的漂移层24的对向面24b一边以左右45度的角度扩展一边向上方延伸的区域中也容易产生绝缘膜19的裂纹c的情况。该区域相当于前述的第二区域y。因此，如图2所示，在本实施例的半导体装置10中，不仅在第一区域x，而且在第二区域y中也采用在栅电极18的上表面18a不存在绝缘膜19的结构。在第一区域x的基础上，在第二区域y也从栅电极18的上表面18a排除了绝缘膜19时，能够进一步抑制在绝缘膜19产生裂纹c的情况。

在本实施例的半导体装置10中，绝缘膜19由氧化硅构成。氧化硅是作为无机物的具有共价键的绝缘体。作为这样的绝缘体，除了氧化硅之外，可列举氮化硅或氮化铝。这些材料在变形时容易破损。因此，在绝缘膜19中采用这些材料的情况下，本说明书中公开的技术能够更显著地发挥其效果。

(实施例2)

参照图5，对实施例2的半导体装置110进行说明。在本实施例的半导体装置110中，与实施例1的半导体装置10相比，附加了树脂膜128。树脂膜128在绝缘膜19的开口19a内，覆盖栅电极18的上表面18a的整体。树脂膜128为绝缘体，因此能够提高栅电极18与上表面电极14之间的绝缘性。树脂膜128由作为有机物的高分子材料的树脂构成，与是无机物且具有共价键的绝缘体的绝缘膜19相比，难以产生裂纹c这样的破损。因此，在第一区域x或第二区域y(参照图2)即使存在树脂膜128，通常也设想不会产生树脂膜128的破损。

(实施例3)

参照图6，对实施例3的半导体装置210进行说明。在本实施例的半导体装置210中，与实施例1的半导体装置10相比，附加了吸热构件230。吸热构件230在绝缘膜19的开口19a内，与栅电极18的上表面18a相接。吸热构件230由体积热容量(j/k·cm³)比绝缘膜19大的材料构成。作为一例，本实施例的吸热构件230遍及绝缘膜19的开口19a的整体与栅电极18的上表面18a相接。然而，吸热构件230只要在绝缘膜19的开口19a内的至少一部分与栅电极18的上表面18a相接即可。

当在绝缘膜19形成开口19a时，绝缘膜19的热容量下降，由此热量容易蓄积于半导体基板12(特别是体通过部分24a)。然而，体积热容量比绝缘膜19大的吸热构件230在绝缘膜19的开口19a内与栅电极18的上表面18a相接时，通过吸热构件230能够吸收在体通过部分24a产生的热量。特别是在与半导体装置10连接的外部电路发生了短路的情况下，过大的短路电流向半导体装置10流动，体通过部分24a的温度急剧上升。然而，短路电流流动的时间极短，在体通过部分24a产生的热量比较少。因此，在体通过部分24a产生的热量被吸热构件230充分吸收。其结果是，能抑制体通过部分24a的温度上升，减少体通过部分24a的局部性的热膨胀。

如前所述，吸热构件230只要在绝缘膜19的开口19a内的至少一部分与栅电极18的上表面18a相接即可。但是，吸热构件230与栅电极18的上表面18a的接触面积越大，则吸热构件230经由栅电极18能够越快速地吸收半导体基板12的热量。而且，吸热构件230越接近漂移层24的对向面24b，则吸热构件230能够越快速地吸收半导体基板12的热量。由此，虽然没有特别限定，但是优选栅电极18的上表面18a中的至少位于第一区域x内的部分与吸热构件230相接即可。即，优选至少在体通过部分24a的正上方设置吸热构件230。

本实施例的吸热构件230没有特别限定，由金属构成。当与栅电极18相接的吸热构件230由金属构成时，也能够降低栅电极18的寄生电阻。通过降低栅电极18的寄生电阻，能够提高半导体装置210的开关速度。吸热构件230采用的具体的金属没有特别限定。作为一例，在绝缘膜19为氧化硅、氮化硅、氮化铝中的任一种的情况下，吸热构件230可以采用金、银、铜、铝、钼、镍或以它们中的至少一种为主成分的合金。而且，吸热构件230可以具有由不同材料构成的多层结构。

作为另一实施方式，吸热构件230可以由金属以外的导体构成，也可以由绝缘体构成。在利用绝缘体构成吸热构件230的情况下，该绝缘体可以采用例如树脂这样的有机物或高分子材料。有机物或高分子材料与金属同样地难以产生裂纹c这样的破损，因此可以作为吸热构件230的材料采用。而且，当吸热构件230由绝缘体构成时，也能够提高栅电极18与上表面电极14之间的绝缘性。关于这一点，实施例2的树脂膜128如果体积热容量(j/k·cm³)比绝缘膜19大，则相当于吸热构件230的一例。

(实施例4)

参照图7，对实施例4的半导体装置310进行说明。本实施例的半导体装置310取代mosfet而具有igbt的结构，在这一点上，与实施例1的半导体装置10不同。具体而言，半导体基板12取代漏极层26而具备集电极层326。关于半导体装置310的其他的结构，与实施例1的半导体装置10相同，因此通过标注同一符号而省略说明。集电极层326是掺杂了p型杂质的p型的半导体区域。集电极层326位于漂移层24与下表面电极16之间，在半导体基板12的下表面12b与下表面电极16相接。集电极层326中的杂质浓度充分高，下表面电极16与集电极层326欧姆接触。需要说明的是，关于源极区域20，通常在igbt中称为发射极区域。这样，本说明书公开的技术并不局限于mosfet，在igbt中也能够同样地采用。此外，本说明书公开的技术并不局限于mosfet或igbt，在平面栅极型的开关元件中能够广泛采用。