(57)【要約】【課題】素子破壊を抑制することができ信頼性を向上することができる電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用半導体装置は、半導体基板、複数のセル領域及び第１の主電極を備える。複数のセル領域は、半導体基板の第１の主面上に配置される。第１の主電極は、複数のセル領域上に配置される。第１の主電極は、第１の金属膜、中間膜及び第２の金属膜を備える。第１の金属膜及び第２の金属膜は、９５重量％以上のＡｌ濃度を有する金属からなる。中間膜は、金属化合物からなる主成分相、及び鉄族元素からなる副成分相を含む。主成分相を構成する金属化合物は、長周期型の周期表における４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ及びＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、の金属化合物である。中間膜は、第２の金属膜の硬度より高い硬度を有する。【選択図】図１
2020031142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面、及び前記第１の主面が配置される側と反対の側に配置される第２の主面を有する半導体基板と、
前記第１の主面上に配置される複数のセル領域と、
前記複数のセル領域上に配置される第１の主電極と、
前記第２の主面上に配置される第２の主電極と、
を備え、
前記複数のセル領域の各々は、
前記第１の主電極に接続される半導体層と、
制御電極と、
前記制御電極を覆い、前記第１の主電極から前記制御電極を電気的に絶縁し、前記半導体層との間に段差を形成する層間絶縁膜と、
を備え、
前記第１の主電極は、
前記複数のセル領域上に配置され、９５重量％以上のＡｌ濃度を有する金属からなる第１の金属膜と、
前記第１の金属膜上に配置され、長周期型の周期表における４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ及びＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、の金属化合物からなる主成分相、並びに鉄族元素からなり前記主成分相を互いに結合する副成分相を含む中間膜と、
前記中間膜上に配置され、９５重量％以上のＡｌ濃度を有する金属からなる第２の金属膜と、
を備え、
前記中間膜は、前記第２の金属膜の硬度より高い硬度を有する
電力用半導体装置。
【請求項２】
前記第１の主電極は、
前記第１の金属膜と前記複数のセル領域との間に配置され、長周期型の周期表における４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ及びＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、の金属化合物からなる主成分相、並びに鉄族元素からなり前記主成分相を互いに結合する副成分相を含むバリアメタル
をさらに備える
請求項１の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記中間膜は、メッシュ状の平面形状を有する
請求項１又は２の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記第１の金属膜は、前記中間膜が配置される側に配置される主面を有し、
前記主面は、平坦である
請求項１から３までのいずれかの電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
縦型の電力用半導体装置は、半導体基板、複数のセル領域及び主電極を備える。複数のセル領域は、半導体基板の主面上に配置される。主電極は、複数のセル領域上に配置される。
【０００３】
主電極には、ワイヤが超音波接続される場合もあるし、アウタリードが直接的に圧接又ははんだ接続される場合もある。しかし、従来の縦型の電力用半導体装置においては、ワイヤ、アウタリード等が接続される際に、セル領域に段差が存在することに起因して、素子が破壊される場合があった。例えば、ワイヤが超音波接続される際に、主電極が変形し、層間絶縁膜等のセル領域の要素等が破壊される場合があった。また、アウタリードが圧接又ははんだ接続される際に、熱ストレスにより素子が破壊される場合があった。
【０００４】
特許文献１に記載された縦型の電力用半導体装置においては、複数のセル領域上にエミッタ電極が形成される（段落００１２及び００２０）。エミッタ電極は、バリアメタル、第１の金属膜、高強度金属膜及び第２の金属膜を有する（段落００１３）。第１の金属膜及び第２の金属膜は、Ａｌを９５％以上有する金属からなる（段落００１３）。バリアメタル及び高強度金属膜は、Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ等の高融点金属、又は高融点金属の導電性化合物からなる（段落００１３）。高強度金属膜は、第２の金属膜より強度が高い（段落００１３）。特許文献１に記載された縦型の電力用半導体装置によれば、第２の金属膜より強度が高い高強度金属膜が存在するため、エミッタ電極にワイヤが超音波接続された際に第２の金属膜が変形したときでも、第１の金属膜の変形を抑制することができ、層間絶縁膜等のセル領域の要素へのダメージを緩和することができる（段落００１５）。このため、エミッタ電極にワイヤが超音波接続される際の素子破壊を防ぐことができる（段落００１５）。また、アウタリードがエミッタ電極に直接に圧接又ははんだ接続される際の素子破壊も防ぐことができる（段落００１５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された縦型の電力用半導体装置によれば、エミッタ電極にワイヤが超音波接続される場合、アウタリードがエミッタ電極に直接に圧接又ははんだ接続される際等の素子破壊をある程度抑制することができる。しかし、高強度金属膜の硬度が低いため、エミッタ電極にワイヤが超音波接続され、第２の金属膜が変形した場合に、高強度金属膜の変形を十分に抑制することができず、第１の金属膜の変形を十分に抑制することができない。このため、エミッタ電極にワイヤが超音波接続される際の素子破壊を十分に抑制することができない。また、アウタリードがエミッタ電極に直接に圧接又ははんだ接続される際の素子破壊も防ぐことができない。
【０００７】
本発明は、この問題に鑑みてなされた。本発明が解決しようとする課題は、素子破壊を抑制することができ信頼性を向上することができる電力用半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電力用半導体装置に関する。
【０００９】
電力用半導体装置は、半導体基板、複数のセル領域、第１の主電極及び第２の主電極を備える。
【００１０】
半導体基板は、第１の主面及び第２の主面を有する。第２の主面は、第１の主面が配置される側と反対の側に配置される。
【００１１】
複数のセル領域は、第１の主面上に配置される。
【００１２】
第１の主電極は、複数のセル領域上に配置される。
【００１３】
第２の主電極は、第２の主面上に配置される。
【００１４】
複数のセル領域の各々は、半導体層、制御電極及び層間絶縁膜を備える。
【００１５】
半導体層は、第１の主電極に接続される。
【００１６】
層間絶縁膜は、制御電極を覆い、第１の主電極から制御電極を電気的に絶縁する。
【００１７】
半導体層と層間絶縁膜との間には、段差が形成される。
【００１８】
第１の主電極は、第１の金属膜、中間膜及び第２の金属膜を備える。
【００１９】
第１の金属膜は、複数のセル領域上に配置される。中間膜は、第１の金属膜上に配置される。第２の金属膜は、中間膜上に配置される。
【００２０】
第１の金属膜及び第２の金属膜は、９５重量％以上のＡｌ濃度を有する金属からなる。
【００２１】
中間膜は、金属化合物からなる主成分相、及び鉄族元素からなる副成分相を含む。副成分相は、主成分相を互いに結合する。主成分相を構成する金属化合物は、長周期型の周期表における４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ及びＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、の金属化合物である。
【００２２】
中間膜は、第２の金属膜の硬度より高い硬度を有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、素子破壊を抑制することができ信頼性を向上することができる電力用半導体装置を提供することができる。
【００２４】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【図２】比較例の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【図３】実施の形態２の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【図４】実施の形態２の電力用半導体装置の、図３の切断線Ａ−Ａにより示される位置における断面を模式的に図示する部分断面図である。
【図５】実施の形態３の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１  実施の形態１
１．１  電力用半導体装置
図１は、実施の形態１の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【００２７】
図１に図示される実施の形態１の電力用半導体装置１００は、トレンチ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
【００２８】
電力用半導体装置１００は、半導体基板１１０を備える。実施の形態１においては、半導体基板１１０は、ｎ型半導体基板であり、Ｓｉからなる。半導体基板１１０は、第１の主面１４０及び第２の主面１４２を有する。第２の主面１４２は、第１の主面１４０が配置される側と反対の側に配置される。
【００２９】
電力用半導体装置１００は、半導体層１１２及び半導体層１１４を備える。実施の形態１においては、半導体層１１２はｐ型半導体層であり、半導体層１１４はｎ＋半導体層である。半導体層１１２は、第１の主面１４０上に配置される。半導体層１１４は、半導体層１１２の上面１４４の一部を占める領域上に配置される。
【００３０】
電力用半導体装置１００は、制御電極１１６及び絶縁膜１１８を備える。実施の形態１においては、制御電極１１６はゲート電極であり、絶縁膜１１８はゲート絶縁膜である。電力用半導体装置１００には、半導体層１１２及び半導体層１１４を貫通し半導体基板１１０に達するトレンチ溝１４６が形成される。制御電極１１６は、トレンチ溝１４６に埋設され、絶縁膜１１８により半導体層１１２、半導体層１１４及び半導体基板１１０から隔てられる。
【００３１】
電力用半導体装置１００は、層間絶縁膜１２０を備える。層間絶縁膜１２０は、制御電極１１６を覆い、制御電極１１６を下述する第１の主電極１２２から電気的に絶縁する。
【００３２】
電力用半導体装置１００は、複数のセル領域１４８を備える。複数のセル領域１４８は、第１の主面１４０上に配置される。複数のセル領域１４８の各々である各セル領域には、半導体層１１２、半導体層１１４、制御電極１１６、絶縁膜１１８、層間絶縁膜１２０及びトレンチ溝１４６が属する。各セル領域１４８においては、半導体層１１２及び半導体層１１４と層間絶縁膜１２０との間に段差が形成される。
【００３３】
電力用半導体装置１００は、第１の主電極１２２を備える。実施の形態１においては、第１の主電極１２２は、エミッタ電極である。第１の主電極１２２は、複数のセル領域１４８上に配置される。第１の主電極１２２には、半導体層１１２及び半導体層１１４が接続される。
【００３４】
第１の主電極１２２は、バリアメタル１６０、第１の金属膜１６２、中間膜１６４及び第２の金属膜１６６を備える。バリアメタル１６０、第１の金属膜１６２、中間膜１６４及び第２の金属膜１６６は、記載された順序で複数のセル領域１４８上に形成される。したがって、第１の金属膜１６２は、複数のセル領域１４８上に配置される。中間膜１６４は、第１の金属膜１６２上に配置される。第２の金属膜１６６は、中間膜１６４上に配置される。バリアメタル１６０は、第１の金属膜１６２と複数のセル領域１４８との間に配置される。
【００３５】
第１の金属膜１６２及び第２の金属膜１６６は、９５重量％以上のＡｌ濃度を有する金属からなる。これにより、第１の金属膜１６２及び第２の金属膜１６６の加工性、並びに第２の金属膜１６６へのワイヤの接続の容易性が向上する。ここでいう「金属」は、純金属及び合金のいずれであってもよい。
【００３６】
バリアメタル１６０及び中間膜１６４は、金属化合物からなる主成分相、及び鉄族元素からなる副成分相を含む。副成分相は、主成分相を互いに結合する。
【００３７】
主成分相を構成する金属化合物は、長周期型の周期表における４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ及びＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、の金属化合物である。したがって、主成分相を構成する金属化合物は、４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素の金属化合物であり、炭化物、炭窒化物及び窒化物からなる群より選択される少なくとも１種である。４Ａ，５Ａ及び６Ａ族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素は、例えばＷ，Ｔｉ及びＴａからなる群より選択される少なくとも１種の元素である。
【００３８】
副成分相を構成する鉄族元素は、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素である。
【００３９】
したがって、中間膜１６４は、ＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、ＴｉＣ−ＴａＮ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金等からなる。
【００４０】
金属化合物からなる主成分相は、高い硬度を有する。このため、主成分相を互いに結合してなる中間膜１６４は、高い硬度を有し、第２の金属膜１６６の硬度より高い硬度を有する。
【００４１】
また、中間膜１６４は、導電性も有する。
【００４２】
電力用半導体装置１００は、半導体層１２４及び半導体層１２６を備える。実施の形態１においては、半導体層１２４はｎ＋半導体層であり、半導体層１２６はｐ型コレクタ層である。半導体層１２４及び半導体層１２６は、第２の主面１４２上に配置される。
【００４３】
電力用半導体装置１００は、第２の主電極１２８を備える。実施の形態１においては、第２の主電極１２８は、コレクタ電極である。第２の主電極１２８は、半導体層１２４及び半導体層１２６に重ねて第２の主面１４２上に配置される。
【００４４】
１．２  比較例と実施の形態１との対比
図２は、比較例の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【００４５】
図２に図示される比較例の電力用半導体装置９００は、図１に図示される実施の形態１の電力用半導体装置１００と次の点で相違する：実施の形態１の電力用半導体装置１００においては、第１の主電極１２２が、バリアメタル１６０以外に、第１の金属膜１６２、中間膜１６４及び第２の金属膜１６６を備える。これに対して、比較例の電力用半導体装置９００においては、第１の主電極１２２が、バリアメタル１６０以外に、金属膜１６８のみを備え、金属膜１６８が、９５重量％以上のＡｌ濃度を有する金属からなる。
【００４６】
比較例の電力用半導体装置９００においては、第１の主電極１２２にワイヤが超音波接続された場合に、第１の主電極１２２が変形し、素子が破壊される場合がある。例えば、層間絶縁膜１２０等のセル領域１４８の要素等が破壊される場合がある。
【００４７】
これに対して、実施の形態１の電力用半導体装置１００においては、第１の主電極１２２にワイヤが超音波接続された場合に、第２の金属膜１６６の硬度より高い硬度を有する中間膜１６４が存在するため、第２の金属膜１６６が変形するが、第１の金属膜１６２の変形が抑制される。したがって、第１の主電極１２２へのワイヤの接続により層間絶縁膜１２０等のセル領域１４８の要素等に加わるダメージを緩和することができる。このため、第１の主電極１２２にワイヤが超音波接続される際の素子破壊を十分に抑制することができる。また、アウタリードが第１の主電極１２２に直接に圧接又ははんだ接続される際の熱ストレスによる素子破壊も抑制することができる。すなわち、実施の形態１によれば、素子破壊を抑制することができ信頼性を向上することができる。
【００４８】
また、複数のセル領域１４８と第１の金属膜１６２との間に配置されるバリアメタル１６０を上述した材料により構成することにより、第１の主電極１２２によるＳｉ食われを抑制することができ、Ｓｉ食われによる素子破壊を抑制することができる。この効果は、電力用半導体装置１００が微細パターンを有する場合に特に顕著にあらわれる。
【００４９】
２  実施の形態２
図３は、実施の形態２の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。図４は、実施の形態２の電力用半導体装置の、図３の切断線Ａ−Ａにより示される位置における断面を模式的に図示する部分断面図である。
【００５０】
図３及び図４に図示される実施の形態２の電力用半導体装置２００は、中間膜１６４がメッシュ状の平面形状を有する点で、図１に図示される実施の形態１の電力用半導体装置１００と相違する。
【００５１】
実施の形態２の電力用半導体装置２００においても、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様に、第２の金属膜１６６の硬度より高い硬度を有する中間膜１６４が存在するため、素子破壊を抑制することができ信頼性を向上することができる。
【００５２】
加えて、実施の形態２の電力用半導体装置２００においては、第１の電極膜１６２と第２の金属膜１６６とが中間膜１６４の開口部を介して互いに接触するため、通電能力を向上することができる。
【００５３】
３  実施の形態３
図５は、実施の形態３の電力用半導体装置の断面を模式的に図示する断面図である。
【００５４】
図５に図示される実施の形態３の電力用半導体装置３００は、第１の金属膜１６２が有する、中間膜１６４が配置される側に配置される主面１５０が平坦である点で、実施の形態１の電力用半導体装置１００と相違する。当該第１の金属膜１６２は、Ａｌを高温スパッタリングすること、Ａｌリフローを行うこと等により半導体層１１２及び半導体層１１４と層間絶縁膜１２０との間の段差を埋めることにより、形成することができる。
【００５５】
実施の形態３の電力用半導体装置３００に備えらえる第１の金属膜１６２は、実施の形態１又は２の電力用半導体装置に備えられる第１の金属膜１６２を置き換えることができる。
【００５６】
実施の形態３の電力用半導体装置３００においても、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様に、第２の金属膜１６６の硬度より高い硬度を有する中間膜１６４が存在するため、素子破壊を抑制することができ信頼性を向上することができる。
【００５７】
加えて、実施の形態３の電力用半導体装置３００においては、第１の主電極１２２にワイヤが接続される際に第１の主電極１２２に加わる応力を中間膜１６４の全体で均等に受けることができるので、第１の主電極１２２へのワイヤの接続により層間絶縁膜１２０等のセル領域１４８の要素等に加わるダメージをさらに緩和することができる。このため、第１の主電極１２２にワイヤが超音波接続される際の素子破壊をさらに抑制することができる。また、アウタリードが第１の主電極１２２に直接に圧接又ははんだ接続される際の熱ストレスによる素子破壊もさらに抑制することができる。
【００５８】
４  変形例
実施の形態１、２及び３の電力用半導体装置１００、２００及び３００は、トレンチＩＧＢＴである。しかし、上述した技術は、トレンチＩＧＢＴ以外の、複数のセル領域１４８を備える縦型の電力用半導体装置においても採用しうる。例えば、上述した技術は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）においても採用しうる。上述した技術がＭＯＳＦＥＴにおいて採用される場合は、第１の主電極は、ソース電極であり、第２の主電極は、ドレイン電極である。
【００５９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【００６０】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００６１】
１００  電力用半導体装置、１１０  半導体基板、１１２  半導体層、１１４  半導体層、１１６  制御電極、１１８  絶縁膜、１２０  層間絶縁膜、１６０  バリアメタル、１６２  第１の金属膜、１６４  中間膜、１６６  第２の金属膜。
【図１】
2020031142.tif 000003
【図２】
2020031142.tif 000004
【図３】
2020031142.tif 000005
【図４】
2020031142.tif 000006
【図５】
2020031142.tif 000007