JP2017157776A - 電極膜、電極膜を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極材料として銅が用いられている電極膜において、クラックの発生が抑えられる技術を提供する。【解決手段】電極膜５は、半導体基板２上に設けられている。電極膜５の材料は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群より選択される少なくとも１種類の添加元素を含む銅合金である。電極膜５の平均結晶粒径が、１０ｎｍ以上であり、且つ、５００ｎｍ以下である。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体基板上に設けられる電極膜に関する。本明細書が開示する技術はまた、電極膜を有する半導体装置にも関する。本明細書が開示する技術はさらに、半導体装置の製造方法にも関する。

インバータ又はコンバータ等に用いられる電力用の半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置では、素子内部で発熱した熱を効率的に放熱することが求められている。このため、この種の半導体装置に用いられる電極膜の材料として、熱伝導性に優れる銅を採用する試みが行われている。特許文献１は、電極材料に銅が採用されている電極膜を開示する。

特開２０１４−１０７３４５号公報

電力用の半導体装置では、２００℃以上の冷熱サイクルにも耐えられる電極膜が必要とされている。このような高温の冷熱サイクルでは、電極膜に加わる熱応力が大きくなり、電極膜の弾性領域を超えて降伏点に達し、電極膜にクラックが生じることがある。このようなクラックが電極膜に生じると、電極膜の熱伝導率が低下し、電極膜の放熱特性が悪化する。クラックがさらに進行すると、素子破壊が発生する虞がある。

本明細書は、電極材料として銅が用いられている電極膜において、クラックの発生が抑えられる技術を提供する。

本明細書は、半導体基板上に設けられる電極膜を開示する。この電極膜は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群より選択される少なくとも１種類の添加元素を含む銅合金を材料とする。さらに、この電極膜の平均結晶粒径が、１０ｎｍ以上、且つ、５００ｎｍ以下である。

上記添加元素は、銅よりもヤング率が高い材料であり、電極膜の結晶粒径を小さくさせることができる。このため、上記添加元素を含む銅合金の電極膜では、平均結晶粒径が１０ｎｍ以上、且つ、５００ｎｍ以下の範囲にまで小さくなることができる。これにより、上記添加元素を含む銅合金の電極膜は、弾性領域が広がることで高い降伏点を有することができる。この結果、上記添加元素を含む銅合金の電極膜では、高い熱応力が加わる状況下でも、クラックの発生が抑えられる。

本明細書で開示される半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 試験用の半導体装置の断面図を模式的に示す。

図１に示されるように、半導体装置１は、半導体基板２及び一対の積層電極６を備える。半導体基板２は、例えば、シリコン基板、炭化珪素基板又は窒化ガリウム基板であり、特定機能を発揮する回路素子が形成されている。この例では、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等の縦型の電力用半導体装置が半導体基板２に形成されている。

一対の積層電極６の各々は、半導体基板２に形成されている電力用半導体装置に接続しており、コンタクト膜３、バリアメタル膜４及び銅合金の電極膜５を有する。例えば、半導体基板２に形成されている電力用半導体装置が縦型のＩＧＢＴの場合、半導体基板２の表面に形成されている積層電極６はエミッタ電極と称され、半導体基板２の裏面に形成されている積層電極６はコレクタ電極と称される。なお、一対の積層電極６の各々の構造は同一であることから、以下では半導体基板２の表面に形成されている積層電極６を参照し、これらの積層電極６を説明する。

コンタクト膜３は、半導体基板２の表面に接しており、電力用半導体装置を構成する不純物領域に電気的に接触する。例えば、コンタクト膜３は、電力用半導体装置を構成する不純物領域にオーミック接触又はショットキー接触する。例えば、半導体基板２の材料が炭化珪素の場合、ｎ型の不純物領域にオーミック接触するコンタクト膜３の材料には、ニッケルシリサイドが用いられる。ニッケルシリサイドは、ニッケルとシリコンの金属間化合物である。一例では、ニッケルシリサイドは、Ｎｉ₃Ｓｉ、Ｎｉ₂Ｓｉ、Ｎｉ₃Ｓｉ₂、ＮｉＳｉからなる群から選択される少なくとも１種類を含む。コンタクト膜３は、例えばスパッタリング技術を利用して、半導体基板２の表面に形成される。

バリアメタル膜４は、コンタクト膜３と電極膜５の間に設けられており、コンタクト膜３と電極膜５の双方に接する。バリアメタル膜４は、Ｔａ又はＴｉを含む導電性の金属膜であり、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ又はＴａＮであるのが望ましい。バリアメタル膜４は、電極膜５に含まれる銅がコンタクト膜３を超えて半導体基板２に拡散するのを抑制するために設けられている。バリアメタル膜４は、例えばスパッタリング技術を利用して、コンタクト膜３の表面に形成される。

電極膜５は、バリアメタル膜４上に設けられており、外部端子に接合する。電極膜５は、例えば、高耐熱接合材が表面に塗布され、リードフレーム等の外部端子が高耐熱接合技術を利用して接合される。電極膜５は、添加元素を含む銅合金である。添加元素には、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉの少なくとも１種類が用いられる。電極膜５は、例えばスパッタリング技術を利用して、バリアメタル膜４の表面に形成される。

積層電極６は、電極膜５に添加元素が含まれていることを特徴とする。電極膜５に含まれる添加元素のヤング率は、銅よりも高い。このため、電極膜５に含まれる添加元素は、電極膜５の結晶粒径を小さくする。これにより、電極膜５では、平均結晶粒径が１０ｎｍ以上、且つ、５００ｎｍ以下の範囲にまで小さくなることができる。電極膜５の平均粒径が５００ｎｍ以下であると、電極膜５は、弾性領域が広がることで高い降伏点を有することができる。この結果、電極膜５では、高い熱応力が加わる状況下でも、クラックの発生が抑えられる。さらに、電極膜５の平均結晶粒径が１０ｎｍ以上であれば、銅合金である電極膜５が有する優れた放熱特性が維持される。このように、電極膜５は、クラック発生の抑制と高い放熱特性を両立することができる。

電極膜５に添加される添加元素の含有量が、０．５原子％以上、且つ、１０原子％以下であるのが望ましい。電極膜５に添加される添加元素の含有量が、０．５原子％以上であれば、電極膜５の降伏点が、銅単体の電極膜よりも上昇する。電極膜５に添加される添加元素の含有量が、１０原子％以下であれば、銅合金である電極膜５が有する優れた放熱特性が維持される。電極膜５の厚みが、０．１μｍ以上、且つ、５０μｍ以下であるのが望ましい。電極膜５の厚みが０．１μｍ以上であると、高耐熱接合技術を利用してリードフレーム等の外部端子を良好に接合させることができる。電極膜５の厚みが５０μｍ以下であれば、内部応力よる破損及び下地（コンタクト膜３及びバリアメタル膜４）との剥離の発生が抑えられる。

（冷熱サイクル試験）
図２に示す試験用の半導体装置１０を用意し、積層電極１６の冷熱サイクル試験を行った。図２に示す試験用半導体装置１０は、以下の手順で用意した。まず、ｎ型の炭化珪素の半導体基板１２を用意した。次に、スパッタリング技術を利用して、半導体基板１２の表面及び裏面の各々にニッケルシリサイド（Ｎｉ₂Ｓｉ）のコンタクト膜１３と窒化タンタル（ＴａＮ）のバリアメタル膜１４の順次成膜した。コンタクト膜１３の厚みは約０．２μｍであり、バリアメタル膜１４の厚みは約０．１μｍである。次に、スパッタリング技術を利用して、バリアメタル膜１４上に銅合金の電極膜１５を成膜した。電極膜１５の厚みは約５μｍである。電極膜１５に添加する金属の種類を変えて複数種類の試験用半導体装置１０を作成した。

次に、半導体基板１２の表面及び裏面に形成されている積層電極１６の各々に対して、高耐熱接合技術を利用して、高耐熱接合層２２を介してリードフレーム２４を接合した。ここで、高耐熱接合技術とは、融点が２００℃以上の高耐熱接合材を利用する技術である。高耐熱接合技術で用いられる高耐熱接合材としては、鉛はんだ、銀微粒子を含む接合材、銅微粒子を含む接合材、鉛フリーはんだ又は拡散接合材が例示される。なお、鉛フリーはんだとしては、亜鉛はんだが好ましい。試験用半導体装置１０では、高耐熱接合層２２の高耐熱接合材に鉛はんだ（Ｐｂ−１０重量％）を使用した。接合温度は、水素雰囲気中で３１２℃である。

冷熱サイクル試験は、−４０℃と２５０℃の温度サイクルを８０分かけて実施し、この温度サイクルを５００回繰り返した。冷熱サイクル試験では、冷熱サイクルの後のクラック発生の有無を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：SEM）により観察した。また、冷熱サイクル試験前に、各試験用半導体装置１０の電極膜１５の平均結晶粒径をＳＥＭ観察により測定した。表１に、冷熱サイクル試験の結果を示す。

表１に示されるように、実施例１〜１４はいずれも、比較例１〜３に比して、電極膜１５の平均結晶粒径が大幅に低下し、５００ｎｍ以下にまで低下している。このように、電極膜１５の平均結晶粒径が５００ｎｍ以下にまで低下した実施例１〜１４のいずれにおいても、冷熱サイクル試験後にクラックの発生が認められなかった。このことは、電極膜１５の平均粒径が５００ｎｍ以下であると、電極膜５が高い降伏点を有することにより、高い熱応力に対して塑性変形することで耐えることができたからである。

この結果は、以下のことを示唆する。高耐熱接合技術で利用される高耐熱接合材は、２００℃以上の融点を有しており、２００℃以上の高温化でも破損しないことが知られている。このような高耐熱接合材を利用した場合、従来技術では、高耐熱接合材よりも先に電極膜にクラックが発生する。このため、従来技術では、高耐熱接合材の高融点という特徴を有効に利用することができなかった。一方、添加元素を含む電極膜１５を有する積層電極１６は、−４０℃と２５０℃の温度サイクルを繰り返す冷熱サイクル試験でも、クラックの発生が抑えられた。したがって、上記の積層電極１６と高耐熱接合技術を組み合わせた場合、２００℃以上の過酷な環境下でも、接合状態を良好に維持することができると考えられる。電力用の半導体装置では、このような過酷な環境下でも高い信頼性を得ることが求められている。本明細書で開示する技術は、このような要求に応えることができることが示唆された。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体装置
２：半導体基板
３：コンタクト膜
４：バリアメタル膜
５：電極膜
６：積層電極

Claims (7)

1. 半導体基板上に設けられる電極膜であって、
   Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群より選択される少なくとも１種類の添加元素を含む銅合金を材料としており、
   平均結晶粒径が、１０ｎｍ以上、且つ、５００ｎｍ以下である、電極膜。
2. 前記添加元素の含有量が、０．５原子％以上、且つ、１０原子％以下である、請求項１に記載の電極膜。
3. 厚みが、０．１μｍ以上、且つ、５０μｍ以下である、請求項１に記載の電極膜。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記電極膜を有する半導体装置。
5. 前記電極膜に高耐熱接合材を介して接合する外部端子をさらに備えており、
   前記高耐熱接合材は、鉛はんだ、銀微粒子を含む接合材、銅微粒子を含む接合材、鉛フリーはんだ又は拡散接合材である、請求項４に記載の半導体装置。
6. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体基板上に電極膜を形成する工程と、
   高耐熱接合法を利用して、前記電極膜と外部端子を接合する工程と、を備えており、
   前記電極膜の材料が、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群より選択される少なくとも１種類の添加元素を含む銅合金であり、
   前記電極膜の平均結晶粒径が、１０ｎｍ以上、且つ、５００ｎｍ以下である、半導体装置の製造方法。
7. 前記高耐熱接合法では、鉛はんだ、銀微粒子を含む接合材、銅微粒子を含む接合材、鉛フリーはんだ又は拡散接合材が高耐熱接合材として用いられる、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

Images