开关元件制造技术

本发明专利技术涉及一种开关元件，并提供一种能够抑制第一金属层产生裂纹的情况，并能够确保开关元件的耐压，且能够降低开关元件导通时的电阻的技术。设置有在半导体基板的上表面上以网眼状延伸的沟槽(栅电极)，半导体基板的上表面被层间绝缘膜覆盖。在元件范围内的层间绝缘膜上，于各个单元区的上部设置有接触孔，在围绕范围内，于各个单元区内上表面整体被层间绝缘膜覆盖。第一金属层对层间绝缘膜进行覆盖，并且在接触孔的上部具有凹部。绝缘保护膜对围绕范围内的第一金属层的外周侧的部分进行覆盖。第二金属层在绝缘保护膜的开口内对第一金属层进行覆盖。在围绕范围内设置有延伸至各个沟槽的下侧并与体区导通的第二导电型区域。

Switch element

The invention relates to a switching element, and provides a technique capable of suppressing the occurrence of a crack in a first metal layer, and ensuring the resistance of the switching element and reducing the resistance of the switching element during turn-on. A trench (gate electrode) extending in a mesh like shape on the upper surface of the semiconductor substrate is provided, and the upper surface of the semiconductor substrate is covered by an interlayer insulating film. On the interlayer insulating film in the component range, the upper part of each unit area is provided with a contact hole, wherein, the upper surface of each unit area is covered with an interlayer insulating film. The first metal layer covers the interlayer insulating film and has a recess at the upper portion of the contact hole. The insulating protective film covers a portion of the peripheral side of the first metal layer around the range. The second metal layer covers the first metal layer in an opening of the insulating protective film. A second conductive region extending to the lower side of each trench and communicating with the body region is provided around the range.

【技术实现步骤摘要】
开关元件
本说明书所公开的技术涉及一种开关元件。
技术介绍
在专利文献1中公开了一种具有半导体基板的开关元件，所述半导体基板的上表面通过焊锡而与散热块连接。此外，专利文献2中公开了一种具有在半导体基板的上表面上以网眼状延伸的沟槽的开关元件。沟槽的内表面被栅绝缘膜覆盖。在沟槽内配置有栅电极。层间绝缘膜对半导体基板的上表面与栅电极进行覆盖。在半导体基板中的被沟槽包围的各个部分(以下称为单元区)的上部，于层间绝缘膜上设置有接触孔。上部电极对层间绝缘膜进行覆盖，并且在接触孔内与半导体基板相接。各个单元区具有第一导电型(在此为n型)的第一区域(发射区)和第二导电型(在此为p型)的体区。第一区域与上部电极和栅绝缘膜相接。体区与上部电极相接，并且在第一区域的下侧与栅绝缘膜相接。此外，半导体基板具有第一导电型的第二区域(漂移区)。第二区域在体区的下侧与栅绝缘膜相接，并且通过体区而与第一区域分离。在该开关元件中，当将栅电极的电位控制为预定的电位时，会在体区内形成沟道。通过沟道而使第一区域与第二区域被连接。因此，在第二区域与第一区域之间流通有电流。在先技术文献专利文献专利文献1：日本特开2005-116963号公报专利文献2：日本特开2015-225872号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的问题如专利文献1那样的开关元件的上部电极通常具有第一金属层与第二金属层。第一金属层为与半导体基板的上表面接触的金属层。第一金属层由不容易污染半导体基板并且以低电阻与半导体基板接触的材料构成。第二金属层为被配置在第一金属层上并且与焊锡接触的金属层。第二金属层由易于与焊锡连接的材料构成。在如专利文献2那样具有以网眼状延伸的沟槽的开关元件中，存在为了通过焊锡而使上部电极与外部连接，从而使上部电极由第一金属层和第二金属层构成的情况。例如，图7图示了具有如图6所示那样以网眼状(该情况下为格子状)延伸的沟槽140的开关元件的Ⅶ-Ⅶ线的截面。在图7中，上部电极150由第一金属层151和第二金属层152构成。当对第一金属层151进行成膜时，在层间绝缘膜162的接触孔162a的上部，于第一金属层151的表面上形成有凹部151a。因此，第一金属层151的上表面具有多个凹部151a。第二金属层152被配置在第一金属层151上。因此，第二金属层152被填充到各个凹部151a内。此外，在如专利文献2那样的开关元件中，通常，如图7所示，半导体基板118的外周部的上表面被绝缘保护膜160覆盖。绝缘保护膜160被设置为，以不与第一金属层151之间产生间隙的方式对第一金属层151的外周侧的部分进行覆盖。绝缘保护膜160具有开口180。在开口180内，第二金属层152对第一金属层151进行覆盖。此外，第二金属层152被设置为，以不与绝缘保护膜160之间产生间隙的方式与绝缘保护膜160的内周侧的侧面160a(开口180的侧面)相接。另外，虽然在图7中第二金属层152的一部分越至绝缘保护膜160上，但并不一定要越至绝缘保护膜160上。当图7的开关元件工作时，半导体基板118的温度将上升。于是，第一金属层151、第二金属层152以及绝缘保护膜160的温度也会上升。一般情况下，第二金属层152的线膨胀系数小于第一金属层151的线膨胀系数。此外，一般情况下，绝缘保护膜160的线膨胀系数与第一金属层151的线膨胀系数为同等程度，或者与第一金属层151的线膨胀系数相比较大。在第一金属层151与第二金属层152接触的范围内，第一金属层151与第二金属层152一起热膨胀。在该范围内，由于第二金属层152的线膨胀系数较小，因此第一金属层151的热膨胀被抑制。尤其是由于第二金属层152被填充在第一金属层151的上表面的各个凹部151a内，因此第一金属层151被第二金属层152较强地束缚。因此，在第一金属层151与第二金属层152接触的范围内，第一金属层的热膨胀量较小。另一方面，在第一金属层151与绝缘保护膜160接触的范围内，第一金属层151与绝缘保护膜160一起热膨胀。在该范围内，由于绝缘保护膜160的线膨胀系数比较大，因此第一金属层151的热膨胀量比较大。绝缘保护膜160的内周侧的侧面160a的正下方的第一金属层151位于热膨胀量较小的范围(第一金属层151与第二金属层152相接的范围)与热膨胀量较大的范围(第一金属层151与绝缘保护膜160相接的范围)的边界处。因此，当开关元件的温度变化时，应力集中在侧面160a的正下方的第一金属层151处，从而在该部分处第一金属层151容易产生裂纹。对此，考虑到如图8所示那样在绝缘保护膜160的内周侧的侧面160a的附近，通过层间绝缘膜162而对各个单元区142(被沟槽140包围的区域)的上表面整体进行覆盖(即，在侧面160a附近的层间绝缘膜162上不设置接触孔162a)。在未设置接触孔162a的范围内，层间绝缘膜162的上表面变得平坦。因此，在该范围的层间绝缘膜162上，第一金属层151的上表面也变得平坦。即，在该范围内，在第一金属层151的上表面上不存在凹部151a。因此，在该范围内，第一金属层151以平坦面与第二金属层152接触。在平坦面上第二金属层152对第一金属层151的束缚较弱。因此，在平坦面的范围内，与存在凹部151a的范围相比，第一金属层151的热膨胀量较大(但是，在该平坦面的范围内，与第一金属层151同绝缘保护膜160相接的范围相比热膨胀量仍较小)。其结果为，在绝缘保护膜160的侧面160a的正下方，第一金属层151的热膨胀量较小的范围(与第二金属层152相接的范围)与第一金属层151的热膨胀量较大的范围(与绝缘保护膜160相接的范围)之间的第一金属层151的热膨胀量之差变小。因此，根据该结构，在侧面160a的正下方的第一金属层151中产生的应力被抑制，从而在该部分处第一金属层151产生裂纹的情况被抑制。但是，在图8的结构中会产生如下问题，即，当开关元件导通时，第二区域126的电阻会升高。以下详细地进行说明。在图8中，在不存在接触孔162a的范围内的层间绝缘膜162的下部的各个单元区142内，体区124不与上部电极150连接，从而体区124的电位浮置。当开关元件断开时，第二区域126与体区124之间的电位差变大。于是，耗尽层从第二区域126与体区124的界面的pn结向其周围延伸。由于该耗尽层，第二区域126的较宽的范围被耗尽化。此外，由于该耗尽层，体区124也部分地被耗尽化。当耗尽层扩张至体区124时，存在于体区124内的电荷(例如空穴)的一部分通过与存在于第二区域126内的电荷(例如电子)的复合而消失。因此，当耗尽层扩张时，存在于体区124内的电荷将减少。之后，当栅电极130的电位被控制为栅极导通电位时，在体区124内的与栅绝缘膜132相邻的区域内将形成沟道。于是，第二区域126成为与第一区域122大致相同的电位。如此，在体区124与上部电极150连接的范围内，电荷从上部电极150被供给至体区124。由此，从体区124与第二区域126的界面的pn结延伸的耗尽层消失。因此，在电极154与上部电极150之间流通有电流。与此相对，在体区124浮置的范围(不存在接触孔162a的范围)内，电荷不会从上部电极150供给至体区124。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关元件，其具备半导体基板、栅绝缘膜、栅电极、层间绝缘膜、第一金属层、第二金属层和绝缘保护膜，其中，在所述半导体基板的上表面上设置有以网眼状延伸的沟槽，所述栅绝缘膜对所述沟槽的内表面进行覆盖，所述栅电极被配置在所述沟槽内，并且通过所述栅绝缘膜而与所述半导体基板绝缘，当将在俯视观察所述上表面时被所述沟槽包围的所述半导体基板的各个部分设为单元区，将在俯视观察所述上表面时包含多个所述单元区的范围设为第一元件范围，并将在俯视观察所述上表面时包围所述第一元件范围的周围并且包含多个所述单元区的范围设为围绕范围时，所述层间绝缘膜在从所述第一元件范围跨至所述围绕范围的范围内对所述上表面与所述栅电极进行覆盖，在所述第一元件范围内，在各个所述单元区的上部，于所述层间绝缘膜上设置有接触孔，在所述围绕范围内，所述层间绝缘膜在所述单元区的上部对所述上表面的整个区域进行覆盖，所述第一金属层对所述层间绝缘膜进行覆盖，并通过所述层间绝缘膜而与所述栅电极绝缘，并且在所述接触孔内与所述上表面相接，在所述第一金属层的表面上，于所述接触孔的上部设置有凹部，所述绝缘保护膜对所述围绕范围内的所述第一金属层的外周侧的部分进行覆盖，在所述绝缘保护膜上，于包含所述第一元件范围在内的与所述第一元件范围相比较宽的范围内设置有开口，所述第二金属层在所述开口内与所述第一金属层的所述表面相接且与所述开口的侧面相接，并且具有与所述第一金属层相比较小的线膨胀系数，所述第一元件范围内的各个所述单元区具备：第一区域，其为第一导电型，并且与所述第一金属层和所述栅绝缘膜相接；体区，其为第二导电型，并且与所述第一金属层相接，且在所述第一区域的下侧与所述栅绝缘膜相接，所述围绕范围内的各个所述单元区具备第二导电型的周边第二导电型区域，所述周边第二导电型区域延伸至所述围绕范围内的所述沟槽的下侧并且与所述体区导通，所述半导体基板具备第一导电型的第二区域，所述第二区域以跨及所述体区的下部和所述周边第二导电型区域的下部的方式而被配置，并在所述体区的下侧与所述栅绝缘膜相接，且通过所述体区而与所述第一区域分离。...

【技术特征摘要】
2016.03.09 JP 2016-0460941.一种开关元件，其具备半导体基板、栅绝缘膜、栅电极、层间绝缘膜、第一金属层、第二金属层和绝缘保护膜，其中，在所述半导体基板的上表面上设置有以网眼状延伸的沟槽，所述栅绝缘膜对所述沟槽的内表面进行覆盖，所述栅电极被配置在所述沟槽内，并且通过所述栅绝缘膜而与所述半导体基板绝缘，当将在俯视观察所述上表面时被所述沟槽包围的所述半导体基板的各个部分设为单元区，将在俯视观察所述上表面时包含多个所述单元区的范围设为第一元件范围，并将在俯视观察所述上表面时包围所述第一元件范围的周围并且包含多个所述单元区的范围设为围绕范围时，所述层间绝缘膜在从所述第一元件范围跨至所述围绕范围的范围内对所述上表面与所述栅电极进行覆盖，在所述第一元件范围内，在各个所述单元区的上部，于所述层间绝缘膜上设置有接触孔，在所述围绕范围内，所述层间绝缘膜在所述单元区的上部对所述上表面的整个区域进行覆盖，所述第一金属层对所述层间绝缘膜进行覆盖，并通过所述层间绝缘膜而与所述栅电极绝缘，并且在所述接触孔内与所述上表面相接，在所述第一金属层的表面上，于所述接触孔的上部设置有凹部，所述绝缘保护膜对所述围绕范围内的所述第一金属层的外周侧的部分进行覆盖，在所述绝缘保护膜上，于包含所述第一元件范围在内的与所述第一元件范围相比较宽的范围内设置有开口，所述第二金属层在所述开口内与所述第一金属层的所述表面相接且与所述开口的侧面相接，并且具有与所述第一金属层相比较小的线膨胀系数，所述第一元件范围内的各个所述单元区具备...

【专利技术属性】
技术研发人员：添野明高，妹尾贤，久野敬史，桑野聪，柿本规行，金丸俊隆，桥本健太，利田祐麻，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP