半导体装置及制造方法与流程

本发明涉及半导体装置及制造方法。

背景技术：

以往，在电力用半导体元件等的半导体装置中，在半导体基板的上表面形成有预定形状的电极(例如参照专利文献1)。出于使表面电阻减少等目的，该电极使用比较厚的金属。

专利文献1：日本特开2010-251404号公报

技术实现要素：

技术问题

如果利用湿式蚀刻对电极进行加工，则能够以较高的蚀刻速率对厚的金属进行加工。然而，由于电极被各向同性地蚀刻，所以难以进行微细的加工。另一方面，如果利用干式蚀刻等沿垂直方向加工电极，则容易进行微细的加工。然而，如果垂直地形成电极的侧壁，则形成于电极上方的保护膜等的覆盖率劣化。

技术内容

在本发明的第一方式中，提供一种具备半导体基板、和形成于半导体基板的上表面的上方的金属电极的半导体装置。金属电极的侧壁可以具有与半导体基板接触的下侧部分、和形成于比下侧部分更靠近上方的位置且相对于半导体基板的上表面的倾斜角比下侧部分小的上侧部分。

半导体装置可以进一步具备形成于半导体基板的有源区。金属电极可以是在半导体基板的上表面比有源区更靠近外侧而形成的场板。

场板的侧壁的上侧部分可以是向上侧凸起的形状。场板的侧壁的下侧部分相对于半导体基板的上表面的倾斜角可以是90度以下且60度以上。

场板的侧壁可以具有配置于下侧部分与上侧部分之间且相对于半导体基板的上表面的倾斜角不连续地变化的特异点。特异点可以配置成从场板的下表面起算的高度在场板的厚度的2成以上且8成以下的范围。

在半导体基板的上表面的上方，可以形成有相同厚度的第一场板和第二场板。第一场板的下端和第二场板的下端之间的距离可以比场板的厚度小。

半导体装置还可以具备形成于半导体基板的上表面的上方且在一部分区域的上方形成有场板的绝缘膜。在没有被场板覆盖的绝缘膜可以形成有凹坑。

绝缘膜的凹坑的侧壁相对于半导体基板的上表面的倾斜角可以比场板的下侧部分相对于半导体基板的上表面的倾斜角小。在半导体基板的上表面，可以形成有第一场板和第二场板。在各场板的下方可以形成有第一导电型的保护环。在各保护环之间可以形成有第二导电型的区域。在第一场板和第二场板的对置的侧壁中，更靠近第二导电型的区域的中央的侧壁的上侧部分与另一个侧壁的上侧部分相比，可以相对于半导体基板的上表面的倾斜角大。

在第一场板和第二场板的对置的侧壁中，更靠近第二导电型的区域的中央的侧壁的特异点可以配置于比另一个侧壁的特异点更靠近上方的位置。

在本发明的第二方式中，提供半导体装置的制造方法。制造方法可以具备在半导体基板的上表面的上方形成金属电极的电极形成阶段。在电极形成阶段，在金属电极的侧壁，可以形成与半导体基板接触的下侧部分、和配置于比下侧部分更靠近上侧的位置且相对于半导体基板的上表面的倾斜角比下侧部分小的上侧部分。

金属电极形成阶段可以具有在应形成金属电极的区域形成金属膜的金属膜形成阶段。金属电极形成阶段可以具有在金属膜的上方形成进行了图案化后的抗蚀剂膜的抗蚀剂膜形成阶段。金属电极形成阶段可以具有根据应形成的金属电极的侧壁的形状，对抗蚀剂膜的侧壁的形状进行整形的整形阶段。金属电极形成阶段可以具有使用对侧壁形状进行整形之后的抗蚀剂膜，对金属膜进行干式蚀刻的蚀刻阶段。

在整形阶段中，可以以在与应形成的金属电极的侧壁的形状相应的条件，加热抗蚀剂膜。

应予说明，上述的发明内容没有列举出本发明的全部特征。另外，这些特征组的子组合也可成为发明。

附图说明

图1是表示半导体装置100的概要的上表面图。

图2是表示边缘终端部120的截面的一个例子的图。

图3是场板40和层间绝缘膜28的截面的部分放大图。

图4a是表示形成场板40的电极形成工序的一个例子的图。

图4b是表示形成场板40的电极形成工序的一个例子的图。

图5是表示场板40的侧壁形状的其他例的截面图。

图6是表示场板40的侧壁形状的其他例的截面图。

符号说明

10…半导体基板，12…漂移区，14…阱区，16…下表面侧区，18…上表面电极，20…下表面电极，21…控制布线，22…控制电极，24…保护环，25…端部，26…热氧化膜，27…连接部，28…层间绝缘膜，29…凹坑，30…保护膜，40…场板，41…金属膜，42…下侧部分，43…侧壁，44…上侧部分，46…特异点，50…抗蚀剂膜，52…槽，54…侧壁，56…槽，58…上侧侧壁，59…下侧侧壁，100…半导体装置，110…有源区，120…边缘终端部

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，以下的实施方式不限定专利权利要求的发明。另外，在实施方式中所说明的特征的全部组合未必都是发明的解决方案所必须的。

图1是表示半导体装置100的概要的上表面图。半导体装置100具备硅或者化合物半导体等的半导体基板10。在半导体基板10，形成有有源区110和边缘终端部120。有源区110形成有晶体管和二极管等的半导体元件。在有源区110，可以形成有igbt等的电力用的半导体元件。

边缘终端部120在半导体基板10的上表面以包围有源区110的方式形成。边缘终端部120可以沿半导体基板10的边缘形成。边缘终端部120抑制电场集中在有源区110的端部附近，提高半导体装置100的耐压。边缘终端部120可以具有保护环和场板等。

图2是表示边缘终端部120的截面的一个例子的图。在图2中一并表示了形成于有源区110的控制电极22、控制布线21、上表面电极18以及阱区14。控制电极22和上表面电极18是金属电极的一个例子。另外，控制布线21由多晶硅等导电性的半导体形成。控制布线21将形成于有源区110的内侧的电极和控制电极22电连接。控制布线21将例如igbt等栅电极和控制电极22连接。上表面电极18例如作为igbt等的发射电极发挥功能。

半导体基板10具有第二导电型的漂移区12和下表面侧区16。在本例中漂移区12为n^-型。另外，下表面侧区16形成于漂移区12的下表面侧。下表面侧区16具有与形成于有源区110的半导体元件对应的导电型。在有源区110形成有igbt的情况下，下表面侧区16可以为p⁺。

在下表面侧区16的下表面侧，形成有铝等金属的下表面电极20。下表面电极20例如作为igbt等的集电极发挥功能。另外，在有源区110的半导体基板10的上表面侧，形成有与半导体元件对应的杂质区、栅结构等，但图2中省略。

本例的边缘终端部120具有保护环24和场板40。保护环24是在半导体基板10的内部，与半导体基板10的上表面相邻而形成的第一导电型的区域。本例中，保护环24是p⁺型。保护环24在半导体基板10的上表面以包围有源区110的方式形成为环状。另外，保护环24可以以同心状形成为多个。

在半导体基板10的上表面，形成有热氧化膜26和层间绝缘膜28。层间绝缘膜28由bpsg等的材料形成。场板40设置在半导体基板10的上表面的上方，并且与保护环24对置。本例的场板40形成于层间绝缘膜28上。场板40是金属电极的一个例子。场板40可以由铝形成，也可以由铝和硅的合金形成，还可以由铝、硅和铜的合金形成，还可以由其他的金属形成。场板40针对每个保护环24形成。

在保护环24与场板40之间的层间绝缘膜28等，形成有连接部27。连接部27可以贯通层间绝缘膜28等的绝缘膜，将保护环24和场板40电连接。连接部27可以由金属形成。另外，在半导体基板10的上表面的上方，形成有覆盖各电极和绝缘膜等的保护膜30。保护膜30可以是聚酰亚胺等的树脂。

图3是场板40和层间绝缘膜28的截面的部分放大图。在图3中示出了相邻的两个场板40的对置的两个侧壁43附近。图3中，两个场板40的对置的两个侧壁43具有对称的截面形状，但两个侧壁43可以具有非对称的截面形状。

场板40的侧壁43具有下侧部分42和上侧部分44。下侧部分42是与半导体基板10接触的区域。上侧部分44形成于比下侧部分42更靠近上方的位置。本例的上侧部分44是与场板40的上表面接触的区域。

上侧部分44相对于半导体基板10的上表面的倾斜角θ2小于下侧部分42的倾斜角θ1。换言之，场板40的侧壁43具有向上方凸起的形状。

由于下侧部分42相对于半导体基板10的上表面的倾斜角θ1大，所以能够更为精度地控制场板40的侧壁43下端的位置。因此，能够以微细的间隔形成厚的场板40，能够使半导体装置100微细化。下侧部分42的倾斜角θ1可以为90度以下且60度以上。优选地，下侧部分42的倾斜角θ1为75度以上。

另外，由于上侧部分44相对于半导体基板10的上表面的倾斜角θ2小，所以能够提高形成于场板40的侧壁43的上方的保护膜30的覆盖率。上侧部分44的倾斜角θ2可以比倾斜θ1角小10度以上。更优选地，上侧部分44的倾斜角θ2可以比倾斜角θ1小20度以上。

下侧部分42的倾斜角θ1可以指场板40的侧壁43的最下端的倾斜角。上侧部分44的倾斜角θ2可以指比下侧部分42更靠近上方的区域的场板40侧壁43的最小倾斜角。另外，上侧部分44的倾斜角θ2可以指上侧部分44的高度方向的中点位置的倾斜角。

上侧部分44是指在比下侧部分42更靠近上方的区域中，倾斜角比下侧部分42小的整个区域。另外，场板40的侧壁43可以具有配置于下侧部分42与上侧部分44之间(或者边界)，相对于半导体基板10的上表面的倾斜角不连续地变化的特异点46。场板40的侧壁43可以以特异点46作为边界，侧壁43的倾斜角不连续地变化5度以上。或者，也可以设为特异点46下侧的侧壁43截面为直线，特异点46上侧的侧壁43截面为曲线。

另外，两个场板40的侧壁的下端之间的距离w1可以比场板40的厚度h1小。本例的两个场板40的厚度相同。即使是这样的微细间隔的场板40，也能够以较高的精度形成半导体装置100，且能够维持保护膜30等的覆盖率。

另外，两个场板40的侧壁43的上端之间的距离w2比距离w1大。另外，距离w2可以比场板40的厚度h1大。由此能够进一步提高保护膜30等的覆盖率。

作为一个例子，场板40的厚度h1是2μm以上且7μm以下。更优选地，场板40的厚度h1是4μm以上且6μm以下。距离w1是厚度h1的0.9倍左右。另外，距离w2是厚度h1的2倍左右。

特异点46被配置为距离场板40的下表面的高度h2在场板40的厚度h1的2成以上且8成以下的范围。如果高度h2过大，则难以提高形成于场板40的侧壁43上方的保护膜30等的覆盖率。如果高度h2过小，则难以以较高的精度控制场板40的侧壁43的下端的位置。特异点46的高度h2可以是场板40的厚度h1的3成以上且7成以下。

上侧部分44的截面的外形可以在上侧具有凸的曲线形状。下侧部分42的截面的外形可以具有曲率比上侧部分44小的曲线形状，也可以具有直线形状。利用这样的形状，能够进一步提高保护膜30的覆盖率。

在层间绝缘膜28的上表面的没有被场板40覆盖的区域，可以设置有凹坑29。凹坑29的侧壁相对于半导体基板10的上表面的倾斜角可以比场板40的侧壁43的下侧部分42的倾斜角θ1小。由此，能够容易无间隙地形成两个场板40之间的保护膜30。因此，能够提高保护膜30的紧贴可靠性等。作为一个例子，凹坑29的深度d1是场板40的厚度的1/10左右。

本例中说明了场板40的侧壁43的形状，但场板40以外的金属电极也可以具有相同的形状。只是，上述的侧壁43的形状在场板40那样的以比较微细的间隔配置的金属电极中尤为有效。

图4a和图4b是表示形成场板40的电极形成工序的一个例子的图。在电极形成工序中，在场板40的侧壁43形成与半导体基板10接触的下侧部分42和配置于比下侧部分42更靠近上侧的位置且相对于半导体基板10的上表面的倾斜角比下侧部分42小的上侧部分44。

在图4a所示的金属膜和抗蚀剂膜形成阶段s400，形成金属膜41和抗蚀剂膜50。本例的金属膜41形成于层间绝缘膜28上的应该形成场板40的区域。另外，抗蚀剂膜50形成于金属膜41的上方，形成预定形状的图案。本例的抗蚀剂膜50与不形成场板40的区域对应地形成有槽52。将槽52的宽度设为w4。

接下来，在整形阶段s402，根据应形成的场板40的侧壁43的形状，对抗蚀剂膜50的侧壁54的形状进行整形。在本例的整形阶段s402中，以抗蚀剂膜50的侧壁54的上侧部分的倾斜角比侧壁54的下侧部分的倾斜角小的方式对侧壁54进行整形。更具体而言，将侧壁54的上侧部分整形为向上凸的曲面。

本例的抗蚀剂膜50由感光性的高分子材料形成，通过加热而热收缩。在整形阶段s402中，通过加热抗蚀剂膜50使整体收缩，使侧壁54的上侧部分向内侧收缩。

抗蚀剂膜50的侧壁54的形状能够通过调整抗蚀剂密度、图案体积等的抗蚀剂膜50的成膜条件、或者加热温度及加热时间等的加热条件进行控制。在整形阶段s402中，以与应形成的场板40的侧壁43的形状对应的条件加热抗蚀剂膜50。例如通过增加加热温度或者加热时间，能够进一步增大抗蚀剂膜50的侧壁54的上侧部分的收缩量。应予说明，抗蚀剂膜50在没有使用紫外线等使其固化的状态下进行加热处理。

接下来，在蚀刻阶段s404～s410中，使用对侧壁54的形状进行整形后的抗蚀剂膜50，对金属膜41进行干式蚀刻。在蚀刻阶段中，例如可以使用将bcl3和cl2混合得到的蚀刻气体。作为一个例子，蚀刻条件是等离子体装置的蚀刻功率为1200w、bcl3气体的流量为40sccm、cl2气体的流量为100sccm、蚀刻室内的压力为8mtorr。

在s404，在金属膜41的没有被抗蚀剂膜50覆盖的区域开始形成槽56。该槽56的侧壁的相对于半导体基板10的上表面的倾斜角与图3所示的场板40的侧壁43的下侧部分42的倾斜角相同。

槽56的侧壁的倾斜角能够通过调整由干式蚀刻产生的聚合物附着于槽56的侧壁的量而进行控制。在侧壁大量附着聚合物而侧壁越被保护，越提高蚀刻的各向异性。其结果，槽56的侧壁的角度接近90度。聚合物的附着量能够通过变更上述的蚀刻条件而进行调整。

应予说明，抗蚀剂膜50也与金属膜41一起被蚀刻。当蚀刻进一步进行时，形成于抗蚀剂膜50的槽52消失(s406)。换言之，槽56的边缘上的抗蚀剂膜50的厚度变为零。

当蚀刻进一步进行时，抗蚀剂膜50的开口宽度变得比初始的槽52的开口宽度w4还宽，金属膜41被蚀刻的区域沿金属膜41的上表面缓缓变宽。因此，形成于金属膜41的槽56的上侧侧壁58的倾斜度比下侧侧壁59缓和(s408)。进一步进行蚀刻，将金属膜41分离而形成场板40(s410)。由此，形成具有图3所示的侧壁形状的场板40。在s410中，可以略微蚀刻层间绝缘膜28的上表面。

应予说明，场板40的侧壁形状的控制方法不限于上述的调整抗蚀剂膜50的侧壁形状的方法。例如，在干式蚀刻中，可以通过调整附着于金属膜41的槽56的聚合物量来调整槽56的侧壁的倾斜度。因此，通过改变附着的聚合物量而进行两个阶段的干式蚀刻，也能够形成图3所示的场板40的侧壁形状。例如，可以以使侧壁43的倾斜度缓和的干式蚀刻条件形成场板40的侧壁43的上侧部分44之后，以使侧壁43的倾斜度变得陡的干式蚀刻条件形成场板40的侧壁43的下侧部分42即可。

图5是表示场板40的侧壁形状的其他例的截面图。图5所示的第一场板40-1和第二场板40-2的对置的侧壁43具有非对称的形状。在本例中，第一场板40-1在半导体基板10上形成为比第二场板40-2更靠外侧的位置。

在各场板40的下方，形成有p⁺型的保护环24。在各保护环24之间，形成有与漂移区12相同的导电型的n^-的区域。在本说明书中，该区域也称为漂移区12。两个场板40的相对的两个侧壁43中，一个侧壁43的下端从保护环24的端部向漂移区12侧突出的长度比另一个侧壁43的下端从保护环24的端部向漂移区12侧突出的长度大。

在本例中，第一场板40-1的侧壁43-1的下端设置于与漂移区12的中央对置的位置。换言之，第一场板40-1的侧壁43-1的下端与第1保护环24-1的端部之间的距离d1和第一场板40-1的侧壁43-1的下端与第2保护环24-2的端部之间的距离d2几乎相等。另外，第二场板40-2的侧壁43-2的下端设置于与第2保护环24-2的端部对置的位置。

在本例中，在两个场板40之间对置的侧壁43中，更靠近漂移区12的中央的侧壁43-1的上侧部分44-1与另一个侧壁43-2的上侧部分44-2相比，相对于半导体基板10的上表面的倾斜角更大(θ21＞θ22)。同样地，第一场板40-1的侧壁43-1的下侧部分42-1的倾斜角θ11比第二场板40-2的侧壁43-2的下侧部分42-1的倾斜角θ12大。

另外，第一场板40-1的侧壁43-1的特异点46-1配置于比第二场板40-2的侧壁43-2的特异点46-2更靠近上方的位置。第一场板40-1的下侧区域42-1可以形成为比第二场板40-2的下侧区域42-2宽。第一场板40-1的上侧区域44-1可以形成为比第二场板40-2的上侧区域44-2窄。

通过这样的结构，能够以较高精度控制第一场板40-1的侧壁43-1的位置。由于能够以较高精度控制向漂移区12突出的一侧的场板40的侧壁位置，所以能够在漂移区12以较高精度形成耗尽层。另外，能够提高第二场板40-2的侧壁43-2的上方的保护膜30等的覆盖率。

应予说明，通过使场板40的基底的高低差形状不同，能够形成具有图5所示的非对称的侧壁形状的两个场板40。例如，在第二场板40-2的侧壁43-2附近，将内侧凹陷的凹坑设置于基底。由于第二场板40-2落入该凹坑，所以第二场板40-2的侧壁43-2的倾斜度变小。

上述的高低差可以由热氧化膜26形成。如图2和图5所示，本例的热氧化膜26横跨两个场板40而形成。第一场板40-1侧的热氧化膜26的端部25-1与第一场板40-1的侧壁43-1的下端之间的距离比第二场板40-2侧的热氧化膜26的端部25-2与第二场板40-2的侧壁43-2的下端之间的距离大。

第二场板40-2侧的热氧化膜26的端部25-2可以设置于与第二场板40-2的侧壁43-2对置的位置。第一场板40-1侧的热氧化膜26的端部25-1也可以不设置于与第一场板40-1的侧壁43-1对置的范围。

图6是表示场板40的侧壁形状的其他例的截面图。本例的场板40的上侧部分44的截面形状是直线。应予说明，上侧部分44的截面形状可以是整体为直线，也可以是一部分为直线。上侧部分44的直线部分的倾斜角比下侧部分42的倾斜角小。即使利用这样的结构，也能够以较高的精度控制场板40的侧壁位置，且能够提高保护膜30等的覆盖率。

以上，使用实施方式说明本发明，但本发明的权利要求不限于上述实施方式所记载的范围。在上述实施方式能够进行多种变更或增加改进对本领域技术人员而言是显而易见的。根据权利要求的记载，进行多种变更或者增加改进的方式也可当然包含于本发明的技术范围。

本说明书的“上”、“下”、“上方”、“下方”、“上表面”、“下表面”的文字不是指重力方向的上下。本说明书的“上”、“下”的方向表示与半导体基板的主面垂直的方向的相对的位置关系。