(57)【要約】【課題】  表面電極の欠損を精度良く検出できる技術を提供する。【解決手段】  半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面を覆う表面電極を有している。表面電極が、半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、第１金属膜の表面を覆う第２金属膜と、第２金属膜の表面を覆う第３金属膜と、第３金属膜の表面を覆う第４金属膜を有している。第２金属膜は、第１金属膜及び第４金属膜よりも高いヤング率を有している。第４金属膜の反射率と第３金属膜の反射率の差が、第４金属膜の反射率と第２金属膜の反射率の差よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面を覆う表面電極、
を有しており、
前記表面電極が、
前記半導体基板の前記表面を覆う第１金属膜と、
前記第１金属膜の表面を覆う第２金属膜と、
前記第２金属膜の表面を覆う第３金属膜と、
前記第３金属膜の表面を覆う第４金属膜、
を有しており、
前記第２金属膜は、前記第１金属膜及び前記第４金属膜よりも高いヤング率を有しており、
前記第４金属膜と前記第３金属膜の反射率の差が、前記第４金属膜と前記第２金属膜の反射率の差よりも大きい、
半導体装置。
【請求項２】
前記第２金属膜は、前記第３金属膜よりも低いヤング率を有している、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１金属膜は、アルミニウムまたはアルミニウムシリコンにより構成されており、
前記第３金属膜は、窒化チタンにより構成されており、
前記第４金属膜は、アルミニウムまたはアルミニウムシリコンにより構成されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第４金属膜の厚さは、前記第１金属膜の厚さよりも厚い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第３金属膜の厚さは、前記第２金属膜の厚さよりも薄い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２金属膜は、チタン、モリブデン、ニッケル、コバルト、タングステンからなる群から選択される金属により構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体基板の表面を覆う表面電極を備える半導体装置が開示されている。この表面電極は、下部金属膜と、下部金属膜の表面を覆う高強度金属膜と、高強度金属膜の表面を覆う上部金属膜を有する。この構成によれば、高強度金属膜が存在することにより、表面電極の強度が上がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
特許文献１の構成によれば、表面電極の強度が上がるので、表面電極に力が加わるとき（例えば、表面電極にプローブが接触するとき等）に、半導体基板へのダメージを抑制することができる。このような半導体装置の製造過程において、半導体基板の表面に形成した表面電極に対して光を照射し、その反射光を検知することによって、表面電極に欠損が生じていないかを外観検査する場合がある。特許文献１の半導体装置では、表面電極に欠損が生じている場合であっても、上部金属膜（Ａｌ等）と高強度金属膜（Ｔｉ等）の反射率の差が小さいため、上部金属膜の欠損を精度良く検出することが難しい。本明細書では、表面電極の欠損を精度良く検出できる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆う表面電極を有している。前記表面電極が、前記半導体基板の前記表面を覆う第１金属膜と、前記第１金属膜の表面を覆う第２金属膜と、前記第２金属膜の表面を覆う第３金属膜と、前記第３金属膜の表面を覆う第４金属膜を有している。前記第２金属膜は、前記第１金属膜及び前記第４金属膜よりも高いヤング率を有している。前記第４金属膜の反射率と前記第３金属膜の反射率の差が、前記第４金属膜の前記反射率と前記第２金属膜の反射率の差よりも大きい。
【０００６】
上記の半導体装置では、表面電極が、第４金属膜の下部に第３金属膜を有している。第４金属膜の反射率と第３金属膜の反射率の差が大きいため、表面電極の外観検査において、第４金属膜の一部が欠損している箇所を発見し易い。また、第３金属膜の下側には、高いヤング率を有する第２金属膜が設けられている。したがって、表面電極に力が加わるとき（例えば、表面電極にプローブが接触するとき等）に、半導体基板へのダメージを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の半導体装置１０の断面図。
【図２】プローブ７０が半導体装置１０のはんだ接合用金属膜５８に接触している状態を示す図。
【図３】プローブ７０を押し下げて電気的試験を実施している状態を示す図。
【図４】プローブ７０を押し下げた際に表面電極５０、１５０に割れが生じたか否かを示す図。
【図５】比較例の半導体装置１００の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に示す実施例の半導体装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２の表面１２ａには、複数のトレンチが設けられている。各トレンチ内に、ゲート電極３０とゲート絶縁膜３２が配置されている。各ゲート電極３０の表面は、層間絶縁膜６２に覆われている。各層間絶縁膜６２は、ゲート電極３０の表面と半導体基板１２の表面１２ａの一部を覆っている。半導体基板１２内には、ｎ型のエミッタ領域２２、ｐ型のボディコンタクト領域２４、ｐ型のボディ領域２５、ｎ型のドリフト領域２６及びｐ型のコレクタ領域２７が設けられている。半導体基板１２の表面１２ａには、表面電極５０が配置されている。半導体基板１２の下面１２ｂには、裏面電極６４が配置されている。エミッタ領域２２、ボディ領域２５、ドリフト領域２６、コレクタ領域２７、ゲート電極３０等によって、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が構成されている。表面電極５０は、ＩＧＢＴのエミッタ電極として機能する。裏面電極６４は、ＩＧＢＴのコレクタ電極として機能する。なお、半導体基板１２の材料は、各種の半導体材料であってよく、例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等であってよい。
【０００９】
ここで、半導体基板１２の内部の素子構造は、ＩＧＢＴに限定されず、他の種類の素子であってもよい。例えば、半導体基板１２の内部の素子構造は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といった他のスイッチング素子や、ダイオードであってもよい。あるいは、半導体基板１２の内部の素子構造は、ＩＧＢＴとダイオードとの両者を含む逆導通ＩＧＢＴ（Reverse-Conduction IGBT）であってもよい。
【００１０】
表面電極５０は、第１金属膜５１、第２金属膜５２、第３金属膜５３及び第４金属膜５４を有している。表面電極５０は、第１金属膜５１、第２金属膜５２、第３金属膜５３及び第４金属膜５４が積層されることによって構成されている。
【００１１】
第１金属膜５１は、半導体基板１２の表面１２ａを覆っている。第１金属膜５１は、層間絶縁膜６２によってゲート電極３０から絶縁されている。第１金属膜５１は、層間絶縁膜６２が存在しない範囲で、半導体基板１２の表面１２ａに接している。第１金属膜５１は、エミッタ領域２２及びボディコンタクト領域２４に対してオーミック接触している。第１金属膜５１は、例えば、Ａｌ（アルミニウム）により構成されている。第１金属膜５１の厚みは、例えば、約２．６μｍである。なお、第１金属膜５１の材料は、上記に限定されず、ＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンの合金）または他の種類のアルミニウム合金であってもよいし、アルミニウムを含まない金属材料であってもよい。
【００１２】
第２金属膜５２は、第１金属膜５１の表面を覆っている。第２金属膜５２は、例えば、Ｔｉ（チタン）により構成されている。第２金属膜５２の厚みは、第１金属膜５１及び後述する第４金属膜５４の厚みよりも薄い。第２金属膜５２の厚みは、例えば、約０．１７μｍである。なお、第２金属膜５２の材料は、上記に限定されず、例えば、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｗ（タングステン）等であってもよい。
【００１３】
第３金属膜５３は、第２金属膜５２の表面を覆っている。第３金属膜５３は、例えば、ＴｉＮ（窒化チタン）により構成されている。第３金属膜５３の厚みは、第１金属膜５１及び後述する第４金属膜５４の厚みよりも薄い。第３金属膜５３の厚みは、例えば、約０．０３μｍである。なお、第３金属膜５３の材料は、上記に限定されず、他の金属材料であってもよい。
【００１４】
第４金属膜５４は、第３金属膜５３の表面を覆っている。第４金属膜５４は、例えば、Ａｌにより構成されている。第４金属膜５４の厚みは、例えば、約２．６μｍである。なお、第４金属膜５４の材料は、上記に限定されず、ＡｌＳｉまたは他の種類のアルミニウム合金であってもよいし、アルミニウムを含まない金属材料であってもよい。
【００１５】
第２金属膜５２は、第１金属膜５１及び第４金属膜５４よりも高いヤング率を有している。第３金属膜５３は、第２金属膜５２よりもさらに高いヤング率を有している。一例ではあるが、第１金属膜５１及び第４金属膜５４がＡｌにより構成されており、第２金属膜５２がＴｉにより構成されており、第３金属膜５３がＴｉＮにより構成されている場合、第１金属膜５１及び第４金属膜５４のヤング率は約７０ＧＰａであり、第２金属膜５２のヤング率は約１１０ＧＰａであり、第３金属膜５３のヤング率は約４００ＧＰａである。
【００１６】
また、第３金属膜５３の反射率は、第２金属膜５２の反射率よりも低い。換言すると、第３金属膜５３の屈折率は、第２金属膜５２の屈折率よりも低い。また、第４金属膜５４の反射率が第２金属膜５２及び第３金属膜５３よりも高いため、第４金属膜５４と第３金属膜５３の反射率の差は、第４金属膜５４と第２金属膜５２の反射率の差よりも大きい。一例ではあるが、第２金属膜５２がＴｉにより構成されており、第３金属膜５３がＴｉＮにより構成されており、第４金属膜５４がＡｌにより構成されている場合、第２金属膜５２の反射率は約０．１３３（測定波長６３２．８ｎｍにおける屈折率は約２．１５３）であり、第３金属膜５３の反射率は約０．０２２（測定波長６３２．８ｎｍにおける屈折率は約１．３５１）であり、第４金属膜５４の反射率は約０．７５である。
【００１７】
表面電極５０の外周部は、保護膜５６によって覆われている。保護膜５６は、例えば、ポリイミドによって構成されている。保護膜５６は、表面電極５０（すなわち、第４金属膜５４）に接している。表面電極５０の中央部は、保護膜５６に覆われていない。
【００１８】
保護膜５６の表面と表面電極５０の表面に跨る範囲は、はんだ接合用金属膜５８に覆われている。はんだ接合用金属膜５８は、はんだ濡れ性を有する金属により構成されている。はんだ接合用金属膜５８は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とする金属膜である。はんだ接合用金属膜５８は、保護膜５６に覆われていない範囲の表面電極５０の表面全域を覆っている。
【００１９】
半導体装置１０の製造過程では、半導体基板１２の表面１２ａに表面電極５０を形成した後（すなわち、保護膜５６、はんだ接合用金属膜５８等を形成する前）に、表面電極５０に欠損が生じていないかを確認するための外観検査を行う場合がある。表面電極５０の外観検査は、表面電極５０に対して照射した光の反射光の強度を検知することによって実施される。
【００２０】
例えば、表面電極５０の最も上側に位置する第４金属膜５４に欠損が生じている場合、表面電極５０に対して照射された光は、第４金属膜５４が欠損している範囲では、第４金属膜５４の下部に位置する第３金属膜５３によって反射される。第４金属膜５４と第３金属膜５３の反射率に差があるので、第４金属膜５４によって反射された反射光の強度と、第３金属膜５３によって反射された反射光の強度が異なる。このように、表面電極５０から得られる反射光の強度が２つ以上の値を有する場合、表面電極５０に欠損が生じていると判断することができる。
【００２１】
本実施例の表面電極５０では、最も上側に位置する第４金属膜５４の反射率と、その下部に位置する第３金属膜５３の反射率の差が大きい。このため、第４金属膜５４から得られる反射光と第３金属膜５３から得られる反射光の強度差が大きく、従来よりも第４金属膜５４の欠損箇所を発見し易い。仮に第３金属膜５３が存在しなければ、第４金属膜５４が欠損している範囲では、第２金属膜５２が露出する。この場合、第２金属膜５２と第４金属膜５４の反射率の差が小さいので、第４金属膜５４の欠損を検出し難い。これに対し、実施例の半導体装置１０のように第４金属膜５４と第２金属膜５２の間に第３金属膜５３（すなわち、第４金属膜５４に対する反射率の差が大きい金属膜）を設けることで、第４金属膜５４の欠損を容易に検出することが可能となる。
【００２２】
また、半導体装置１０の製造過程では、複数のプローブ７０を介して半導体装置１０に電流を流すことにより、半導体装置１０の電気的試験を行う場合がある。半導体装置１０の電気的試験は、図２に示すように、ステージ７２上に半導体装置１０を載置し、半導体装置１０のはんだ接合用金属膜５８に対してプローブ７０を接触させた後、図３に示すように、プローブ７０を押し下げてプローブ７０を介して半導体装置１０に電流を流すことにより実施される。
【００２３】
本実施例の表面電極５０は、ヤング率が低い第１金属膜５１と第４金属膜５４の間に、ヤング率が高い第２金属膜５２と第３金属膜５３が配置されている。このように、表面電極５０内にヤング率が高い中間層（第２金属膜５２と第３金属膜５３）が設けられていることで、表面電極５０の強度が向上されている。したがって、表面電極５０にプローブ７０を接触させるときに、半導体基板１２へのダメージを抑制することができる。
【００２４】
また、表面電極の中間層が硬すぎると、表面電極にプローブを接触させるときに、中間層に割れが生じる場合がある。これに対し、本実施例では、中間層が第３金属層５３に加えて第３金属層５３よりもヤング率が低い第２金属層５２を有していることで、中間層の割れが抑制される。以下、中間層の割れについて、図４を用いて説明する。図４は、プローブ７０をはんだ接合用金属膜５８に接触させた状態からのプローブ７０の押し下げ量（以下、オーバードライブ量（ＯＤ量）という。）を変化させた場合において、実施例の表面電極５０の中間層（第２金属膜５２及び第３金属膜５３）及び比較例の表面電極１５０の中間層（第３金属膜１５３）に割れが生じたか否かの結果を示している。中間層に割れが生じなかった場合を○で表し、中間層に割れが生じた場合を×で表す。なお、比較例の半導体装置１００では、図５に示すように、表面電極１５０が、第１金属膜５１、第３金属膜１５３及び第４金属膜５４を有する。すなわち、表面電極１５０は、第２金属膜５２を有さない点で本実施例の表面電極５０と異なっている。また、図４に示すように、第３金属膜１５３の厚み（０．２μｍ）は、第２金属膜５２の厚み（０．１７μｍ）及び第３金属膜５３の厚み（０．０３μｍ）の和に等しい。なお、図４における各ＯＤ量は、相対的な値で表されている。
【００２５】
図４に示すように、比較例の半導体装置１００では、ＯＤ量が０．６以上で第３金属膜１５３に割れが生じた。これは、第１金属膜５１及び第４金属膜５４に対して、第３金属膜１５３のヤング率が高すぎるためであると考えられる。一方、実施例の表面電極５０の中間層は、ＯＤ量が１においても割れが生じず、比較例の表面電極１５０よりも強度が大きく向上している結果となった。これは、第２金属膜５２のヤング率が、第１金属膜５１及び第４金属膜５４よりは高いが、第３金属膜５３よりは低いため、第３金属膜５３に加わる力が第２金属膜５２により好適に緩和されたためであると考えられる。さらに、第３金属膜５３の厚みが比較的薄く、第３金属膜５３に加わる力に対する第３金属膜５３の柔軟性が向上したためであると考えられる。
【００２６】
以上に説明したように、本実施例の半導体装置１０では、第２金属膜５２と第４金属膜５４の間に第３金属膜５３が存在するので、外観検査における表面電極５０（すなわち、第４金属膜５４）の欠損を精度良く検出することができる。また、第３金属膜５３をヤング率が高い材料により構成し、第２金属膜５２を第３金属膜５３よりもヤング率が低く、第１金属膜５１及び第４金属膜５４よりもヤング率が高い材料により構成することで、表面電極５０の強度をより向上させることができる。
【００２７】
なお、第２金属膜５２及び第３金属膜５３の材料は、上述した材料に限定されない。第２金属膜５２及び第３金属膜５３の材料としては、第２金属膜５２が第１金属膜５１及び第４金属膜５４よりも高いヤング率を有し、かつ、第４金属膜５４と第３金属膜５３の反射率の差が、第４金属膜５４と第２金属膜５２の反射率の差よりも大きくなる関係を満足する材料を採用すればよい。例えば、上述した実施例では、第２金属膜５２の反射率と第３金属膜５３の反射率が、第４金属膜５４の反射率よりも低かった。しかしながら、第２金属膜５２の反射率と第３金属膜５３の反射率の少なくとも一方が、第４金属膜５４の反射率より高くてもよい。このような場合でも、第４金属膜５４と第３金属膜５３の反射率の差が、第４金属膜５４と第２金属膜５２の反射率の差よりも大きくなる関係を満足していれば、第４金属膜５４の欠損を容易に検出することができる。
【００２８】
また、上述した実施例では、第２金属膜５２が第３金属膜５３よりも低いヤング率を有していたが、第２金属膜５２が第３金属膜５３よりも高いヤング率を有してもよい。この構造でも、第２金属膜５２によって、表面電極５０の強度を向上させることができる。
【００２９】
また、第４金属膜５４の厚さは、第１金属膜５１の厚さよりも厚くてもよい。このような構成では、表面電極５０に力が加わるときに、ある程度の厚みを有する第４金属膜５４によって、第３金属膜５３へ加わる力を抑制することができる。なお、第３金属膜５３に加わる力を抑制する必要がない場合には、第４金属膜５４の厚さは、第１金属膜５１の厚さよりも薄くてもよい。
【００３０】
また、上述した実施例では、第３金属膜５３の厚さが第２金属膜５２の厚さよりも薄かったが、第３金属膜５３のヤング率がそれほど高くなく、第３金属膜５３の柔軟性を向上させなくてもよい場合には、第３金属膜５３の厚さは第２金属膜５２の厚さよりも厚くてもよい。
【００３１】
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
【００３２】
本明細書が開示する一例の構成では、第２金属膜は、第３金属膜よりも低いヤング率を有してもよい。
【００３３】
このような構成では、表面電極に力が加わるときに、第２金属膜によって第３金属膜に加わる力を好適に緩和し、第３金属膜に割れが生じることを抑制することができる。
【００３４】
本明細書が開示する一例の構成では、第１金属膜は、アルミニウムまたはアルミニウムシリコンにより構成されてもよい。第３金属膜は、窒化チタンにより構成されてもよい。第４金属膜は、アルミニウムまたはアルミニウムシリコンにより構成されてもよい。
【００３５】
このような構成では、アルミニウムまたはアルミニウムシリコンと、窒化チタンとの反射率の差が大きいため、外観検査において第４金属膜が欠損していることをより発見し易くなる。
【００３６】
本明細書が開示する一例の構成では、第４金属膜の厚さは、第１金属膜の厚さよりも厚くてもよい。
【００３７】
このような構成では、表面電極に力が加わったときに、第４金属膜によって第３金属膜に加わる力を抑制することができる。
【００３８】
本明細書が開示する一例の構成では、第３金属膜の厚さは、第２金属膜の厚さよりも薄くてもよい。
【００３９】
このような構成では、第３金属膜５３の厚みを比較的薄くして、第３金属膜５３の柔軟性を向上させることができる。
【００４０】
本明細書が開示する一例の構成では、第２金属膜は、チタン、モリブデン、ニッケル、コバルト、タングステンからなる群から選択される金属により構成されてもよい。
【００４１】
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。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み合わ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み合わ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するものであり、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。
【符号の説明】
【００４２】
１０：半導体装置、１２：半導体基板、１２ａ：表面、１２ｂ：下面、２２：エミッタ領域、２４：ボディコンタクト領域、２５：ボディ領域、２６：ドリフト領域、２７：コレクタ領域、３０：ゲート電極、３２：ゲート絶縁膜、５０：表面電極、５１：第１金属膜、５２：第２金属膜、５３：第３金属膜、５４：第４金属膜、５６：保護膜、５８：はんだ接合用金属膜、６２：層間絶縁膜、６４：裏面電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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