JP2007059711A - フィールドプレート構造の形成方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １回のリソグラフィによりフィールドプレート構造を形成できる方法を提供する。
【解決手段】 基板の主表面に形成される動作層と、動作層上に形成される絶縁層と、動作層および絶縁層の双方に接続する電極とを有するフィールドプレート構造の形成方法であって、基板の主表面に動作層を形成する工程と、動作層上に電気絶縁層を形成する工程と、絶縁層上に感光性の熱収縮性有機物層を形成する工程と、感光性の有機物層をリソグラフィによりパターン化する工程と、パターン化した有機物層をマスクとして絶縁層をエッチングする工程と、有機物層を加熱により収縮させる工程と、電極材料層を形成する工程と、熱収縮した有機物層を除去する工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工程数が少なく、位置ズレの小さいフィールドプレート構造の形成方法および高耐圧性の半導体装置に関する。

ＳｉまたはＳｉＣなどからなる半導体装置においては、耐圧を高めるために、フィールドプレート構造を採用することが多い。半導体装置として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を例に取り挙げ、フィールドプレート構造を図２に示す。ＩＧＢＴは、図２に示すように、ｎ型低不純物濃度（ｎ^-）の第１半導体領域２１、ｐ型高不純物濃度（ｐ⁺）の第２半導体領域２２、ｐ型高不純物濃度（ｐ⁺）の第３半導体領域２３、絶縁層２４、エミッタ電極２５、コレクタ電極２６、ｐｎ接合部２７からなる。図２に示すように、電極２５を絶縁層２４の上に重ね合わせる構造をフィールドプレート構造という。

ＩＧＢＴにおいて、エミッタ電極２５とコレクタ電極２６との間に逆電圧を加え、エミッタ電極２５に加わえる電圧に比べてコレクタ電極２６に加わる電圧が正になるようにすると、フィールドプレートで得られる電界により、第１半導体領域２１に空乏層が形成され、その結果、第１半導体領域２１と第２半導体領域２２との接合部分２７の電界集中が緩和され、フィールドプレート構造を設けていない場合に比べて耐圧特性を向上させることができる。

ＳｉＣ型ＩＧＢＴの製造方法を図３に示す（特許文献１と非特許文献１参照）。まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型低不純物濃度（ｎ^-）の第１半導体領域３１の主表面に、ｐ型不純物をイオン注入してｐ型高不純物濃度（ｐ⁺）の第２半導体領域３２を形成し、ｐｎ接合面３７を得る。つぎに、第１半導体領域３１の主表面の露出部分の上と、第２半導体領域３２の露出表面の全域に酸化タンタルをＣＶＤ法によって堆積し、絶縁層３４’を形成する。その後、図３（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより絶縁層３４’の不要な部分を除去し、絶縁膜３４を形成する。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、第１半導体領域３１の主表面の露出部分上と、第２半導体領域３２の露出表面上と、絶縁膜３４上にＡｌを蒸着し、Ａｌ層３５’を形成する。つづいて、図３（ｄ）に示すように、ドライエッチングにより不要な部分を除去し、エミッタ電極３５を形成する。その後、図示していないが、コレクタ電極および保護膜を形成すると、ＳｉＣ型ＩＧＢＴが得られる。したがって、図３に示す方法によれば、フィールドプレート構造を形成するために、２回のドライエッチング工程が必要である。

フィールドプレート構造を有する半導体装置の他の例を図４に例示する（特許文献２参照）。この半導体装置は、図４に示すように、ｎ型Ｓｉ基板４１の主表面にｐ型不純物拡散層４２を有し、ｐｎ接合部のうち主表面に露出している部分を覆うように、熱ＳｉＯ₂層４４ａを形成している。また、熱ＳｉＯ₂層４４ａ上にはＣＶＤ・ＳｉＯ₂層４４ｂが設けられ、段差部Ａが形成されている。さらに、ＣＶＤ・ＳｉＯ₂層４４ｂ上には中間絶縁膜４４ｃが設けられ、段差部Ｂが形成されている。図４に示すように、電極４５は、ｐ型不純物拡散層４２の露出部分から、熱ＳｉＯ₂層４４ａ上を通って段差部Ａを覆い、さらにＣＶＤ・ＳｉＯ₂層４４ｂ上を通って段差部Ｂを覆い、中間絶縁膜４４ｃ上に引き出されている。電極４５の引出端部直下の酸化膜の厚さが耐圧性に大きく影響するが、この部分の酸化膜４４の厚さは、熱ＳｉＯ₂層４４ａ＋ＣＶＤ・ＳｉＯ₂層４４ｂ＋中間絶縁膜４４ｃの合計の厚さであるから、高耐圧性を示す。また、従来１段の段差が、段差部Ａと段差部Ｂの２段で構成されているため、各段差部を薄くすることができ、電極４５が段差部で段切れしにくくなり、電極４５を薄くすることができるとともに、半導体装置の表面を平坦化することができるとある。

この半導体装置の製造方法を図５に示す。まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板５１の主表面にｐ型不純物拡散層５２を形成した後、熱ＳｉＯ₂層を形成し、リソグラフィによりｐ型不純物拡散層５２上を開口して熱ＳｉＯ₂層５４ａとする。つぎに、図５（ｂ）に示すように、熱ＳｉＯ₂層５４ａ上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂層を形成し、リソグラフィによりパターニングしてＣＶＤ・ＳｉＯ₂層５４ｂとし、所定の位置に段差部Ａを形成する。つづいて、図５（ｃ）に示すように、ｐ型不純物拡散層５２と接触し、段差部Ａを覆うように電極材料を蒸着し、パターニングして電極５５ａとする。つぎに、図５（ｄ）に示すように、熱ＳｉＯ₂層５４ａとＣＶＤ・ＳｉＯ₂層５４ｂ上に中間絶縁膜をＣＶＤ法により形成した後、リソグラフィによりエッチングし、中間絶縁膜５４ｃとして段差部Ｂを形成する。最後に、電極材料を蒸着し、パターニングすることにより段差部Ｂを覆うように電極５５を形成すると、図５（ｅ）に示すようなフィールドプレート構造を有する半導体装置が得られる。したがって、図５に示す方法によれば、フィールドプレート構造を形成するために、複数回のリソグラフィが必要となる。
特開平１１−２９７９９５号公報 特開平１−１３６３６６号公報 Q. Wahab et al.,"A 3 kV Schottky barrier diode in 4H-SiC" Appl. Phys. Lett. 72 (4), 26 January 1998 p 445-447

フィールドプレート構造を複数回のリソグラフィにより形成すると、製造工程が煩雑化し、またパターン同士の位置合せにズレが生じやすいため、フィールドプレート幅の制御が困難である。したがって、本発明の課題は、１回のリソグラフィによりフィールドプレート構造を形成できる方法を提供することにある。また、１回のリソグラフィによりフィールドプレート構造を形成することにより、パターン同士の位置を合わせに際してのズレを小さくして、一定幅のフィールドプレート構造を備える半導体装置を提供することにある。

本発明は、基板の主表面に形成される動作層と、動作層上に形成される絶縁層と、動作層および絶縁層の双方に接続する電極とを有するフィールドプレート構造の形成方法であって、基板の主表面に動作層を形成する工程と、動作層上に電気絶縁層を形成する工程と、絶縁層上に感光性の熱収縮性有機物層を形成する工程と、感光性の有機物層をリソグラフィによりパターン化する工程と、パターン化した有機物層をマスクとして絶縁層をエッチングする工程と、有機物層を加熱により収縮させる工程と、電極材料層を形成する工程と、熱収縮した有機物層を除去する工程とを備えることを特徴とする。

動作層は、ｐ型層および／またはｎ型層とすることができる。有機物層を複数層とし、上の層が感光性を有し、下の層が熱収縮性を有する態様が好ましく、有機物層の加熱工程は、９０℃以上の加熱水により実施する態様が好ましい。使用する有機物層として、加熱により基板の面方向に０．２μｍ以上熱収縮する特性を有するものが好適である。本発明の半導体装置は、かかる方法により形成されたフィールドプレート構造を備えることを特徴とする。

１回のリソグラフィによりフィールドプレート構造を形成できるため、工程を簡略化することができ、セルフアライメントによりパターンズレを抑えることができる。また、複数回のリソグラフィが必要な方法に比べて、パターン同士の位置合せが不要となり、フィールドプレート幅を正確に制御することができ、基板表面の汚染を防止できる。

本発明のフィールドプレート構造の形成方法の工程図を図１に例示する。まず、図１（ａ）に示すように、基板１の主表面に動作層２を形成し、動作層２上に電気絶縁層３を形成し、つづいて絶縁層３上に感光性の熱収縮性有機物層４を形成する。基板１には、一般的なものを使用することができ、たとえば、ＳｉＣ（４Ｈ，６Ｈなど）またはＧａＮ、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体材料などを用いることができる。一方、絶縁層３にも一般的な材料を使用することができ、ＳｉＣ基板を用いた場合には、熱酸化法により基板表面にＳｉＯ₂からなる電気絶縁層を形成することができる。

動作層２は、ｐ型層、またはｎ型層、またはｐ型層とｎ型層の複合層とすることができ、たとえば、ショトッキーバリアダイオードまたはｐｎ接合ダイオードなどを形成することができる。ショットキーバリアダイオードにおいては、基板上にショットキー電極を形成する場合、フィールドプレート構造を形成することにより、電極端での電界集中を抑制して耐圧性を向上することができる。また、ｐｎ接合ダイオードにおいても、フィールドプレート構造を形成することにより、ｐｎ接合部分の電界集中を緩和して耐圧性を向上させることができる。本発明の方法によれば、１回のリソグラフィによりフィールドプレート構造を形成することができるため、作業工程を簡略化し、パターン同士の位置合せがないため、位置合せズレが生じない。

感光性の熱収縮性有機物層４は、単一層構造とする場合には、次工程において、リソグラフィによりパターン化できるような感光性を有することが必要であり、かつ沸騰水などにより熱収縮する特性を併せ持つ材料であることが必要である。また、有機物層は最終的には除去されるため、除去し易いように剥離性を有する材料が好ましい。感光性であって、熱収縮性である有機物としては、たとえば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルなどのレジストが好適である。なお、熱収縮性を有するとは、９０℃〜１００℃の加熱水に１０分間浸漬したときに、長さ方向で０．０１％以上収縮する性質をいう。

有機物層４を複数層構造とする場合には、上の層は、感光によりパターン化しやすいように、感光性を有する態様が好ましい。かかる感光性材料としては、上記のレジストのほか、紫外線に感受性を有する化学増幅型樹脂材料、感光性ポリイミド、ポリハロゲン化合物などが好適である。また、下の層は熱収縮によりフィールドプレートを形成する領域を確保するため、熱収縮性を有する態様が好ましい。熱収縮性有機物としては、シリコーンなどが好適である。

つぎに、図１（ｂ）に示すように、有機物層４をリソグラフィによりパターン化し、パターン化した有機物層４ａをマスクとして絶縁層３をエッチングする。その後、図１（ｃ）に示すように、有機物層４ａを加熱により収縮させて有機物層４ｂとすると、フィールドプレートを形成する領域Ｃが得られる。有機物層４ａの加熱は、有機物材料により異なるが、９０℃以上に加熱した水などの液体、水蒸気などの気体、または加熱したＮ₂、Ａｒなどの不活性ガスなどを適宜選択して実施することができる。たとえば、ＰＭＭＡなどのレジストを単一の有機物層として用いた場合には、９０℃以上の加熱水が好ましく、９４℃以上に加熱したものがより好ましく、特に、沸騰水に浸漬処理する態様が好ましい。このように熱収縮により、十分なフィールドプレート領域Ｃを確保する点から、有機物層４ａが、加熱により、基板１の面方向に０．２μｍ以上収縮する態様が好ましく、０．５μｍ以上収縮する態様がより好ましい。かかる好ましい態様は、加熱処理時間などにより調整することができる。

つづいて、図１（ｄ）に示すように、電極材料層５（５ａ，５ｂ）を形成し、最後に、リフトオフなどにより、熱収縮した有機物層４ｂを除去すると、図１（ｅ）に示すようなフィールドプレート構造が得られる。このフィールドプレート構造は、図１（ｅ）に示すように、基板１の主表面に形成される動作層２と、動作層２上に形成される絶縁層３ａと、動作層２および絶縁層３ａの双方に接続する電極５ａとを有し、電極５ａを絶縁層３ａ上に重ね合せた形態を有する。従来、絶縁層開口部の形成用と電極形成用に最低２回のリソグラフィが必要であったが、本発明によれば１回のリソグラフィにより、フィールドプレート構造を形成できる。したがって、作業工程を簡略化でき、パターン同士の位置合せずれもなくなり、フィールドプレートの幅を正確に制御でき、基板表面が汚染されにくい。本発明の半導体装置は、かかる方法により形成されたフィールドプレート構造を備えることを特徴とし、たとえば、高耐圧性を有するショットキーバリアダイオードまたはｐｎ接合ダイオードを提供することができる。

実施例１
図１に示すように、厚さ４００μｍ、抵抗率０．０２Ωｃｍのｎ型４Ｈ−ＳｉＣ８°オフ基板１の主表面上に、Ｎドーピングした（ドーピング濃度７×１０¹⁵ｃｍ^-3）ｎ型動作層２（厚さ１０μｍ）をＣＶＤエピタキシャル法により形成した。つぎに、熱酸化法によりエピタキシャル層の表面にＳｉＯ₂からなる絶縁層３を形成した後、裏面にＮｉ製のオーミック電極を蒸着により形成した（図示していない。）。その後、絶縁層３の表面に感光性の熱収縮性有機物層４としてレジストを形成し（図１（ａ））、リソグラフィによりパターニングした後、バッファドフッ酸により主表面上の絶縁層３をエッチングした（図１（ｂ））。つづいて、９４℃〜１００℃の加熱水に１０分間浸漬し、熱収縮させた後（図１（ｃ））、Ｎｉ電極５を蒸着し（図１（ｄ））、熱収縮した有機物層４ｂをリフトオフし、１ｍｍ×１ｍｍのショットキーバリアダイオードを得た（図１（ｅ））。

得られたショットキーバリアダイオードの電気的特性を測定したところ、順方向特性を表す指標であるｎ値は１．０５と良好な値を示した。また、逆方向特性については、−６００Ｖ印加時のリーク電流が１×１０^-8Ａと高耐圧性を示した。このショットキー電極５ａをＳＥＭで観察すると、Ｎｉ製のショットキー電極５ａがＳｉＯ₂からなる絶縁層３ａ上に幅Ｗが０．５μｍとなるように形成され、フィールドプレート構造を形成していることが確認できた。

比較例１
Ｎｉ製のショットキー電極の形成前の加熱処理の代わりに常温の超純水で洗浄した以外は、実施例１と同様にしてショットキーバリアダイオードを得た。得られたショットキーバリアダイオードの電気特性を評価したところ、順方向特性はｎ値が１．２０であり、逆方向特性については−２００Ｖ印加時のリーク電流が１×１０^-4Ａであり、いずれも特性が悪化していた。このショットキー電極をＳＥＭで観察すると、Ｎｉ製のショットキー電極とＳｉＯ₂層の間に隙間ができており、フィールドプレート構造の形成は確認できなかった。

実施例２
図１に示すように、厚さ４００μｍ、抵抗率０．０２Ωｃｍのｎ型４Ｈ−ＳｉＣ８°オフ基板１の主表面上に、Ｎドーピングした（ドーピング濃度７×１０¹⁵ｃｍ^-3）ｎ型エピタキシャル層（厚さ１０μｍ）をＣＶＤ法により形成した。つぎに、ドーパントとしてＡｌをイオン注入し（注入量１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、深さ０．５μｍのｐ型動作層２を形成した。つぎに、熱酸化法によりエピタキシャル層の表面にＳｉＯ₂からなる絶縁層３を形成した後、裏面にＮｉ製のオーミック電極を蒸着により形成した（図示していない。）。その後、ＳｉＯ₂層の表面に感光性の熱収縮性有機物層４としてレジストを形成し（図１（ａ））、リソグラフィによりパターニングした後、バッファドフッ酸により主表面上のＳｉＯ₂層をエッチングした（図１（ｂ））。つづいて、９４℃〜１００℃の加熱水に１０分間浸漬し、熱収縮させた後（図１（ｃ））、Ｔｉ／Ａｌからなる電極材料層５を蒸着し（図１（ｄ））、熱収縮した有機物層４ｂをリフトオフし、１ｍｍ×１ｍｍのｐｎダイオードを得た（図１（ｅ））。

得られたｐｎダイオードの電気的特性を測定したところ、逆方向特性については、−６００Ｖ印加時のリーク電流が１×１０^-7Ａと高耐圧性を示した。また、ＳＥＭで観察すると、Ｔｉ／Ａｌ製の電極がＳｉＯ₂層上に幅Ｗが０．５μｍとなるように形成され、フィールドプレート構造を形成していることが確認できた。

比較例２
表面のＴｉ／Ａｌ電極形成前の加熱処理の代わりに、常温の超純水で洗浄した以外は、実施例２と同様にしてｐｎダイオードを得た。得られたｐｎダイオードの電気的特性を評価したところ、逆方向特性については−６００Ｖ印加時のリーク電流が１×１０^-4Ａであり、加熱処理をした実施例２のダイオードより大きかった。また、ＳＥＭで観察したが、フィールドプレート構造は確認できなかった。

実施例３
図１に示すように、厚さ４００μｍ、抵抗率０．０２Ωｃｍのｎ型４Ｈ−ＳｉＣ８°オフ基板１の主表面上に、Ｎドーピングした（ドーピング濃度７×１０¹⁵ｃｍ^-3）ｎ型動作層２（厚さ１０μｍ）をＣＶＤエピタキシャル法により形成した。つぎに、熱酸化法によりエピタキシャル層の表面にＳｉＯ₂からなる絶縁層３を形成した後、裏面にＮｉ製のオーミック電極を蒸着により形成した（図示していない。）。その後、ＳｉＯ₂層の表面に感光性の熱収縮性有機物層４としてレジストを形成し（図１（ａ））、リソグラフィによりパターニングした後、バッファドフッ酸により主表面上のＳｉＯ₂層をエッチングした（図１（ｂ））。つづいて、９４℃〜１００℃の加熱水に１分間浸漬し、熱収縮させた後（図１（ｃ））、Ｎｉからなる電極材料５を蒸着し（図１（ｄ））、熱収縮した有機物層４ｂをリフトオフし、１ｍｍ×１ｍｍのショットキーバリアダイオードを得た（図１（ｅ））。

得られたショットキーバリアダイオードの電気的特性を測定したところ、逆方向特性については、−６００Ｖ印加時のリーク電流が１×１０^-7Ａと高耐圧性を示した。このショットキー電極をＳＥＭで観察すると、Ｎｉ製のショットキー電極５ａがＳｉＯ₂からなる絶縁層３ａ上に幅Ｗが０．２μｍとなるように形成され、フィールドプレート構造を形成していることが確認できた。したがって、同様の加熱水で１０分間処理した実施例１の結果と併せて考察すると、フィールドプレート幅を０．２μｍ→０．５μｍと大きくすることにより、−６００Ｖでの逆方向リーク電流が１×１０^-7Ａ→１×１０^-8Ａと小さくなり、耐圧性がさらに高まることがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

高耐圧性を有するショットキーバリアダイオードまたはｐｎ接合ダイオードを提供することができる。

本発明のフィールドプレート構造の形成方法を示す工程図である。 従来のｐｎ接合型半導体装置におけるフィールドプレート構造を示す図である。 従来のｐｎ接合型半導体装置におけるフィールドプレート構造の形成方法を示す図である。 従来のｐｎ接合型半導体装置におけるフィールドプレート構造を示す図である。 従来のｐｎ接合型半導体装置におけるフィールドプレート構造の形成方法を示す図である。

符号の説明

１ 基板、２ 動作層、３ 絶縁層、４ 有機物層、５ 電極。

Claims (6)

1. 基板の主表面に形成される動作層と、該動作層上に形成される絶縁層と、前記動作層および前記絶縁層の双方に接続する電極とを有するフィールドプレート構造の形成方法であって、
   基板の主表面に動作層を形成する工程と、
   前記動作層上に電気絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層上に感光性の熱収縮性有機物層を形成する工程と、
   感光性の前記有機物層をリソグラフィによりパターン化する工程と、
   パターン化した有機物層をマスクとして前記絶縁層をエッチングする工程と、
   前記有機物層を加熱により収縮させる工程と、
   電極材料層を形成する工程と、
   熱収縮した前記有機物層を除去する工程と
   を備えることを特徴とするフィールドプレート構造の形成方法。
2. 前記動作層は、ｐ型層および／またはｎ型層であることを特徴とする請求項１に記載のフィールドプレート構造の形成方法。
3. 前記有機物層は、複数層からなり、上の層が感光性を有し、下の層が熱収縮性を有することを特徴とする請求項１または２に記載のフィールドプレート構造の形成方法。
4. 有機物層の前記加熱工程は、９０℃以上の加熱水により実施することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィールドプレート構造の形成方法。
5. 前記有機物層は、加熱により基板の面方向に０．２μｍ以上熱収縮することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフィールドプレート構造の形成方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の方法により形成されたフィールドプレート構造を備えることを特徴とする半導体装置。

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