JP2019110247A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造を有する電極において、過大な応力が局所的に生じることを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられており、第１金属層、第２金属層及び第３金属層を有する電極とを備える。この半導体装置では、第１金属層と第３金属層とが、同一の金属材料で構成されている。第２金属層は、第１金属層と第３金属層との間に位置するとともに、第１金属層及び第３金属層の金属材料よりもヤング率が小さい金属材料で構成されている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられており、第１金属層、第２金属層及び第３金属層を有する電極とを備える。第１金属層と第３金属層とは、同一の金属材料で構成されている。第２金属層は、第１金属層と第３金属層との間に位置するとともに、第１金属層と第３金属層とは異なる金属材料で構成されている。

特開２０１１−２４９４９１号公報

上記した半導体装置の電極のように、同一の金属材料で構成された第１金属層と第３金属層との間に、異種の金属材料で構成された第２金属層を介在させると、第１金属層及び第３金属層が一体となった肉厚の金属層と比較して、結晶粒径が小さく形成される。このように金属層内部の粒径が小さいことは、電極の耐力（あるいは降伏応力）を高くすることがホール・ペッチ（Hall-Petch）の法則により明らかとなっている。

しかしながら、上記の金属層の構成では、半導体装置の製造過程における例えばシンター工程等の熱処理が行われたときに、第１金属層及び第３金属層と、第２金属層との間の熱膨張係数の違いによって、局所的に大きな応力が生じることがある。特に、第２金属層に例えば窒化チタン（ＴｉＮ）といった金属材料を採用すると、熱膨張係数の違いが大きくなるため、局所的に過大な応力が生じ得る。さらに、窒化チタンは高強度な材料であるため、隣接する第１金属層及び第３金属層において、ヒロック（凹凸形状）が形成されることを抑制してしまう。したがって、ヒロックが形成されることによる応力の開放が制限され、金属層にはより大きな応力が生じ、第１金属層又は第３金属層内部に、空洞が形成されるおそれがある。

本明細書は、上記のような積層構造を有する電極において、過大な応力が局所的に生じることを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられており、第１金属層、第２金属層及び第３金属層を有する電極とを備える。この半導体装置では、第１金属層と第３金属層とが、同一の金属材料で構成されている。第２金属層は、第１金属層と第３金属層との間に位置するとともに、第１金属層及び第３金属層の金属材料よりもヤング率が小さい金属材料で構成されている。

上記の半導体装置では、第２金属層の金属材料に、第１金属層及び第３金属層の金属材料よりもヤング率が小さいものが採用されている。このような構成によると、例えばシンター工程等での熱処理において、第１金属層と第３金属層とにおけるヒロックの形成が、第２金属層によって抑制されることを避けることができる。これにより、第１金属層及び第３金属層を構成する金属材料と、第２金属層を構成する金属材料との間の熱膨張係数の違いにより、不均一な熱膨張が生じたとしても、各金属層がヒロックを形成することによって、電極内に生じる応力を抑制することができる。結果として、金属層の内部において過大な応力が局所的に生じることが抑制される。

実施例の半導体装置１０の平面図を示す。 図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図の内部構造を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、一例ではあるが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の単位構造を繰り返し有するパワー半導体装置である。但し、本明細書で開示する技術は、ＩＧＢＴに限られず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といった、積層構造の電極を有する他の半導体装置にも採用することができる。

図１、２に示すように、半導体装置１０は半導体基板１２を備える。半導体基板１２の上面１２ａには、主電極の上面電極２０と複数の信号用電極２６とが位置しており、半導体基板１２の下面１２ｂには、主電極の下面電極２２が位置している。半導体基板１２に用いられる材料は、特に限定されず、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は、窒化ガリウム（ＧａＮ）といった窒化物半導体であってよい。また、半導体基板１２の上面１２ａ上には、保護膜２８が設けられている。保護膜２８は、主に半導体装置１０の周縁に沿って設けられており、上面電極２０及び複数の信号用電極２６を取り囲んでいる。保護膜２８は、例えばポリイミド樹脂といった絶縁性材料によって構成されることができる。

半導体基板１２は、コレクタ層３４、ドリフト層３６、ボディ層３８及び複数のエミッタ領域４０を備える。コレクタ層３４は、ｐ型（例えばアルミニウム）の不純物がドープされたｐ型の半導体領域である。コレクタ層３４は、半導体基板１２の下面１２ｂに沿って位置している。コレクタ層３４のｐ型不純物の濃度は十分に高く、下面電極２２はコレクタ層３４にオーミック接触している。ドリフト層３６は、ｎ型の不純物（例えばリン）がドープされたｎ型の半導体領域である。ドリフト層３６は、コレクタ層３４上に積層されており、コレクタ層３４に直接的に接触している。

ボディ層３８は、ｐ型の不純物がドープされたｐ型の半導体領域である。ボディ層３８は、ドリフト層３６上に積層されており、ドリフト層３６と直接的に接触している。さらにボディ層３８は、ボディコンタクト領域３８ａを有する。ボディコンタクト領域３８ａは、半導体基板１２の上面１２ａにおいて、上面電極２０に接触している。なお、ボディコンタクト領域３８ａは、ｐ型不純物の濃度が高められており、これによって上面電極２０はボディ層３８にオーミック接触している。エミッタ領域４０は、ｎ型不純物がドープされたｎ型の半導体領域である。エミッタ領域４０は、半導体基板１２の上面１２ａにおいて、上面電極２０に接触している。またエミッタ領域４０は、ボディ層３８を介してドリフト層３６から隔離されている。エミッタ領域４０におけるｎ型不純物の濃度は十分に高く、上面電極２０はエミッタ領域４０にオーミック接触している。

図２から理解されるように、半導体基板１２はトレンチゲート構造を採用している。トレンチが半導体基板１２の上面１２ａからエミッタ領域４０及びボディ層３８を通過して、ドリフト層３６まで伸びている。エミッタ領域４０は、トレンチの両側に位置しており、トレンチに隣接している。トレンチ内にはゲート電極２４が形成されており、例えばポリシリコンといった導電性材料によって構成することができる。ゲート電極２４は、層間絶縁膜３２によって上面電極２０からは絶縁されているとともに、エミッタ領域４０、ボディ層３８及びドリフト層３６に、ゲート絶縁膜３０を介して対向している。これにより、上面電極２０に対してゲート電極２４に正電圧が印加されると、ボディ層３８のトレンチに隣接する領域がｎ型に反転し、エミッタ領域４０とドリフト層３６との間を延びるｎ型のチャネルが、トレンチに沿って形成される。この状態は、半導体装置１０がターンオンされた状態であり、上面電極２０と下面電極２２との間が電気的に接続される。

さらに本実施例における上面電極２０は、第１金属層１４、第２金属層１６及び第３金属層１８を有する、三層構造で形成されている。なお、上面電極２０は、三層構造に限られず、その他の金属層を含む四層以上の積層構造を有してもよい。第１金属層１４と第３金属層１８は、同一の金属材料で構成されており、例えばアルミニウム系又は他の金属材料を採用することができる。第２金属層１６は、第１金属層１４と第２金属層１６との間に介在しており、第１金属層１４及び第２金属層１６とは異なる金属材料で構成されている。このような構成の電極では、第１金属層１４及び第３金属層１８が一体となった金属層の厚みが大きい電極と比較して、金属層の結晶粒径が比較的に小さく形成される。これにより上面電極２０の耐力（あるいは降伏応力）は高くなる。

しかしながら、上記の上面電極２０の構成では、半導体装置１０の製造過程における例えばシンター工程等の熱処理が行われたときに、第１金属層１４及び第３金属層１８と、第２金属層１６との間の熱膨張係数の違いによって、局所的に大きな応力が生じることがある。特に、第２金属層１６に例えば窒化チタンといった金属材料を採用すると、熱膨張係数の違いが大きくなるため、局所的に過大な応力が生じ得る。さらに、窒化チタンは高強度（例えば高ヤング率）な材料であるため、隣接する第１金属層１４及び第３金属層１８において、ヒロック（凹凸形状）が形成されることを抑制してしまう。したがって、ヒロックが形成されることによる応力の開放が制限され、上面電極２０にはより大きな応力が生じ、第１金属層１４又は第３金属層１８内部に、空洞が形成されるおそれがある。

上記課題を鑑み、本実施例では、上記のような積層構造を有する上面電極２０における第２金属層１６の金属材料は、第１金属層１４及び第３金属層１８の金属材料よりもヤング率が小さいものを採用するとよい。上述したように、第１金属層１４及び第３金属層１８には、例えばアルミニウム系又は他の金属材料を採用することができる。この場合、第２金属層１６は、例えばマグネシウム系又は他の金属材料といった、第１金属層１４及び第３金属層１８の金属材料よりもヤング率が小さいものを採用することができる。ここで、アルミニウムのヤング率は約７０ＧＰａであり、マグネシウムのヤング率は約４６ＧＰａである。これらアルミニウムとマグネシウムは、第１金属層１４及び第３金属層１８の金属材料と、第２金属層１６の金属材料とにおいて、本実施例の効果を良好に得ることができる組合せの一例である。但し、第１金属層１４及び第３金属層１８と第２金属層１６における、金属材料の組合せは、上記の組合せに特に限定されない。

このような構成によると、上記した例えばシンター工程等での熱処理において、第１金属層１４と第３金属層１８とにおけるヒロックの形成が、第２金属層１６によって抑制されることを避けることができる。これにより、第１金属層１４及び第３金属層１８を構成する金属材料と、第２金属層１６を構成する金属材料との間の熱膨張係数の違いにより、不均一な熱膨張が生じたとしても、各金属層１４、１６、１８がヒロックを形成することによって、上面電極２０内に生じる応力を抑制することができる。結果として、金属層１４、１６、１８の内部において過大な応力が局所的に生じることが抑制される。

上記した課題は、例えばシンター工程等での熱処理の加熱条件を緩和させることによっても、解決することは可能である。しかしながら、加熱条件を緩和することにより、トレンチゲート内部のゲート絶縁膜３０と半導体基板１２のトレンチの内面との界面に生じる原子の未結合手の水素終端化における効率が低下するおそれがある。この未結合手の水素終端化が十分に行われないと、半導体装置のオン抵抗増加やゲート絶縁膜の寿命低下の要因にもなり得る。そのため、本技術を採用する方が解決手法としてより優れているといえる。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
１４：第１金属層
１６：第２金属層
１８：第３金属層
２０：上面電極
２２：下面電極
２４：ゲート電極
２６：信号用電極
２８：保護膜
３０：ゲート絶縁膜
３２：層間絶縁膜
３４：コレクタ層
３６：ドリフト層
３８：ボディ層
３８ａ：ボディコンタクト領域
４０：エミッタ領域

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面上に設けられており、第１金属層、第２金属層及び第３金属層を有する電極と、
   を備え、
   前記第１金属層と前記第３金属層は、同一の金属材料で構成されており、
   前記第２金属層は、前記第１金属層と前記第３金属層との間に位置するとともに、前記第１金属層及び前記第３金属層の前記金属材料よりもヤング率が小さい金属材料で構成されている、
   半導体装置。

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