(57)【要約】【課題】縦型の半導体デバイスにおいて、電極層の表面に接合されたワイヤを通じて流すことができる電流量を増やす。【解決手段】半導体デバイスは、表面１ａから裏面１ｂへ順電流が流れる半導体層１と、当該半導体層１の表面１ａに形成された電極層（表面電極層２）と、を備える。電極層は、半導体層１の表面１ａに順に積層された第１導電層２１、第２導電層２２、及び第３導電層２３を含む。そして、第１導電層２１は、アルミニウムを主成分として含む材料で構成され、第２導電層２２は、第１導電層２１及び第３導電層２３をそれぞれ構成する何れの材料よりも抵抗率が低い材料で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から裏面へ順電流が流れる半導体層と、
前記半導体層の前記表面に形成された電極層と、
を備え、
前記電極層は、前記半導体層の前記表面に順に積層された第１導電層、第２導電層、及び第３導電層を含み、
前記第１導電層は、アルミニウムを主成分として含む材料で構成され、
前記第２導電層は、前記第１導電層及び前記第３導電層をそれぞれ構成する何れの材料よりも抵抗率が低い材料で構成されている、半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２導電層を構成する材料は、銅、銀、及び金のうちの少なくとも何れか一種を主成分として含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記電極層は、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に介在した第１バリアメタル層と、
前記第２導電層と前記第３導電層との間に介在した第２バリアメタル層と、
を更に含む、請求項１又は２に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１バリアメタル層及び前記第２バリアメタル層をそれぞれ構成する材料は、チタン、タングステン、モリブデン、及びタンタルのうちの少なくとも何れか一種を主成分として含む、請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第３導電層にはワイヤが接合されており、当該ワイヤを介して前記電極層が他の電子部品や端子に接続されている、請求項１〜４の何れかに記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記ワイヤは、アルミニウム、銅、及び金のうちの少なくとも何れか一種を主成分として含む、請求項５に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオードチップ等の半導体デバイスに関し、特に表面から裏面へ順電流が流れる縦型の半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多くの電気機器において、高性能化に伴って大電流を必要とするものが多くなっている。このため、電気機器に大電流を供給できる電源回路が求められている。そして、そのような電源回路を実現するべく、電源回路を構成する半導体デバイスなどの各種電子部品において、大電流に対応可能なものを開発することが求められている。
【０００３】
又、高出力の電源回路では、大容量のコンデンサが多数組み込まれることが多く、発生するサージ電流も大きい。このため、電源回路を構成する半導体デバイスなどの各種電子部品において、サージ電流耐量（どの程度のサージ電流まで耐えることができるかを電流量で示したもの）の大きいものが望まれており、そういった意味でも大電流に対応可能な電子部品の開発が求められている。
【０００４】
電源回路を構成する半導体デバイス（整流ダイオードチップなど）には、表面から裏面へ順電流が流れる半導体層と、当該半導体層の表面に形成された電極層と、を備えた縦型の半導体デバイスが用いられることがある。又、このような半導体デバイスを回路基板に搭載する場合、当該半導体デバイスへの通電用のワイヤが電極層の表面に接合されることがある（ワイヤボンディング）。従来、通電用のワイヤにはアルミニウム製のワイヤが用いられ、且つ、電極層へのワイヤの接合が可能となるように、電極層全体が、ワイヤの材料に合わせてアルミニウムで構成されることが多かった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
そして、このような縦型の半導体デバイスにおいても、上記の背景の下、大電流に対応可能なものを開発することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−１４４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように電極層の表面にワイヤを接合した場合、電極層の表面にワイヤが局所的に接合されることになる。又、電流は、半導体デバイス内において抵抗の低い経路を通って流れようとする。このため、ワイヤから電極層に流れ込んだ電流は、ワイヤの接合箇所から半導体層の裏面側の電極層までの最短経路を、その経路の周囲に殆ど拡がることなく流れていた。即ち、ワイヤの接合箇所に電流が集中しやすかった。従って、半導体デバイスに大電流を流そうとした場合、接合箇所への電流の集中によって接合箇所が異常に発熱し、それが原因で接合箇所が溶解して破損するという問題があった。尚、このような問題に対し、電極層の表面において複数のワイヤを密に接続するといった手段を用いれば、電流の集中を回避できるが、そのような手段はあまり現実的でない。
【０００８】
そこで本発明の目的は、縦型の半導体デバイスにおいて、電極層の表面に接合されたワイヤを通じて流すことができる電流量を増やすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体デバイスは、表面から裏面へ順電流が流れる半導体層と、当該半導体層の表面に形成された電極層と、を備える。電極層は、半導体層の表面に順に積層された第１導電層、第２導電層、及び第３導電層を含む。そして、第１導電層は、アルミニウムを主成分として含む材料で構成され、第２導電層は、第１導電層及び第３導電層をそれぞれ構成する何れの材料よりも抵抗率が低い材料で構成されている。
【００１０】
上記半導体デバイスによれば、半導体層の表面に形成される第１導電層が、アルミニウムを主成分として含む材料で構成されることにより、半導体層との界面には抵抗率の高い化合物が形成されにくくなり、その結果として、第１導電層と半導体層との間に接触抵抗が生じにくくなる。
【００１１】
又、第１導電層と第３導電層との間に、これらの何れの層よりも抵抗率が低い第２導電層が介在するため、電極層の表面（第３導電層の表面）に接合されたワイヤから電極層に流れ込んだ電流は、第２導電層に沿って横方向へ流れやすくなる。従って、半導体デバイスに流れる電流（順電流）に横方向の拡がりを持たせることができ、その結果として、ワイヤの接合箇所への電流の集中を回避できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極層の表面に接合されたワイヤを通じて流すことができる電流量を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る整流ダイオードチップを概念的に示した縦断面図である。
【図２】表面電極層内での電流の流れを示した概念図である。
【図３】バリアメタル層がない表面電極層の縦断面の観察像である。
【図４】銅が拡散した第３導電層の表面の観察像である。
【図５】バリアメタル層が形成された表面電極層の縦断面の観察像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を整流ダイオードチップに適用した実施形態について、具体的に説明する。図１は、整流ダイオードチップを概念的に示した縦断面図である。図１に示されるように、整流ダイオードチップは、半導体層１と、表面電極層２と、裏面電極層３と、を備える。
【００１５】
半導体層１には、ｎ型半導体層１１と、当該ｎ型半導体層１１上に形成されたｐ型半導体層１２と、が含まれている。そして、半導体層１の表面１ａがｐ型半導体層１２で構成され、半導体層１の裏面１ｂがｎ型半導体層１１で構成されている。よって、半導体層１には表面１ａから裏面１ｂへ縦方向に順電流が流れる。即ち、本実施形態の整流ダイオードチップは、縦型の半導体デバイスである。
【００１６】
表面電極層２は、半導体層１の表面１ａに形成された電極層であり、本実施形態ではアノードとして機能する。表面電極層２は、その表面２ａにワイヤＷが接合されること（ワイヤボンディング。図２参照）により、当該ワイヤＷを介して他の電子部品や端子（不図示）に接続される。又、裏面電極層３は、半導体層１の裏面１ｂに形成された電極層であり、本実施形態ではカソードとして機能する。裏面電極層３は、回路基板（不図示）に設けられた配線に半田付けなどで接続される。
【００１７】
図１に示されるように、表面電極層２は、半導体層１の表面１ａに順に積層された第１導電層２１、第２導電層２２、及び第３導電層２３を含む。更に、表面電極層２は、第１導電層２１と第２導電層２２との間に介在した第１バリアメタル層２４Ａと、第２導電層２２と第３導電層２３との間に介在した第２バリアメタル層２４Ｂと、を含む。
【００１８】
これらの層は、真空蒸着やスパッタリングなどの薄膜形成手法を用いて形成される。具体的には、半導体層１の形成後、当該半導体層１の表面１ａ上に、第１導電層２１を構成するための材料（アルミニウムなど）から成る薄膜を、真空蒸着やスパッタリングなどの薄膜形成手法を用いて形成する。その後、同様の薄膜形成手法を用いて、第１バリアメタル層２４Ａ、第２導電層２２、第２バリアメタル層２４Ｂ、及び第３導電層２３となる薄膜をそれぞれ、順に積層していく。これらの薄膜の形成（積層）後、当該薄膜に対してエッチング処理を施すことにより、表面電極層２を形成する。
【００１９】
第１導電層２１及び第３導電層２３は、アルミニウムを主成分として含む材料で構成されている。具体的には、第１導電層２１及び第３導電層２３は、純アルミニウムや、シリコンなどの添加剤を含んだアルミニウム合金などの導電性材料で構成されている。尚、第１導電層２１及び第３導電層２３をそれぞれ構成する材料は、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【００２０】
このように、半導体層１の表面１ａに形成される第１導電層２１が、アルミニウムを主成分として含む材料で構成されることにより、半導体層１と第１導電層２１との間に接触抵抗が生じにくくなる。なぜなら、不純物濃度が高いｐ型半導体とアルミニウムとは相性が良く、熱処理が施された場合でもこれらの界面には抵抗率の高い化合物が形成されにくく、化合物（シリサイド）が形成されたとしてもその抵抗率は低いからである。又、表面電極層２の表面２ａを構成する第３導電層２３が、アルミニウムを主成分として含む材料で構成されることにより、従来と同様、表面電極層２の表面２ａに接合する通電用のワイヤＷ（図２参照）として、アルミニウムを主成分として含むワイヤを用いることができる。
【００２１】
第２導電層２２は、第１導電層２１及び第３導電層２３をそれぞれ構成する何れの材料よりも抵抗率が低い材料で構成されている。具体的には、第２導電層２２を構成する材料は、銅、銀、及び金のうちの少なくとも何れか一種を主成分として含む。これらの材料は、抵抗率が低く、第２導電層２２を構成する材料として好ましい。それらの中でも銅は、銀や金に比べて抵抗率が低い上に廉価であるため、特に好ましい。
【００２２】
このような表面電極層２の構成によれば、表面電極層２内での電流の流れを改善できる。図２は、表面電極層２内での電流の流れを示した概念図である。図２に示されるように、第１導電層２１と第３導電層２３との間に、これらの何れの層よりも抵抗率が低い第２導電層２２が介在するため、表面電極層２の表面２ａ（第３導電層２３の表面）に接合されたワイヤＷ（図２参照）から表面電極層２に流れ込んだ電流は、第２導電層２２に沿って横方向へ流れやすくなる。従って、整流ダイオードチップに流れる電流（順電流）に横方向の拡がりを持たせることができ、その結果として、ワイヤＷの接合箇所への電流の集中を回避できる。よって、縦型の半導体デバイスである本実施形態の整流ダイオードチップにおいて、表面電極層２の表面２ａに接合されたワイヤＷを通じて流すことができる電流量を増やすことができる。
【００２３】
又、表面電極層２の一部（即ち、第２導電層２２）を抵抗率が低い材料で構成することにより、表面電極層２の抵抗を低下させることができる。よって、表面電極層２でのエネルギ損失を低減できる。
【００２４】
更に、第２導電層２２を構成する材料の主成分として選択可能な銅、銀、及び金などは、熱伝導率が高いため、表面電極層２から放熱しやすくなる。よって、整流ダイオードチップの放熱性を高めることができる。
【００２５】
一方、第２導電層２２を構成する材料は、拡散しやすい材料であることが多い。このため、第２導電層２２の材料が第１導電層２１及び第３導電層２３内に拡散し、拡散した材料が、第１導電層２１及び第３導電層２３を構成する材料と合金を形成して第１導電層２１及び第３導電層２３の強度を低下させる虞がある。更に、第２導電層２２から拡散した材料は、第１導電層２１を通って半導体層１内に拡散し、拡散した材料が、半導体層１内に欠陥を形成して半導体層１の特性（順電圧やリカバリ特性など）を変化させる虞がある。
【００２６】
例えば、第２導電層２２を構成する材料の主成分として選択可能な銅は、拡散しやすく、又、アルミニウムと合金を形成しやすい。そして、銅とアルミニウムとの合金は、強度が低くて脆い。このため、第２導電層２２を構成する材料の主成分として銅を選択した場合には、その銅が、第１導電層２１及び第３導電層２３を構成する材料（主成分であるアルミニウム）と合金を形成することで、第１導電層２１及び第３導電層２３の強度を低下させる虞がある。
【００２７】
図３は、バリアメタル層がない表面電極層２の縦断面の観察像である。図３の観察像は、第２導電層２２の主成分である銅が、導電層間の境界を特定することが難しくなるほどに第１導電層２１及び第３導電層２３内に拡散することを示している。又、図４は、銅が拡散した第３導電層２３の表面の観察像である。図４の観察像は、第３導電層２３の表面に多くのクラックが発生することを示しており、このことから、銅の拡散によって第３導電層２３の強度が低下することが分かる。このように、銅は、第１導電層２１及び第３導電層２３の主成分であるアルミニウムと合金を形成することにより、それらの導電層の強度を低下させる。
【００２８】
そこで、本実施形態では、第１導電層２１と第２導電層２２との間に第１バリアメタル層２４Ａが形成され、第２導電層２２と第３導電層２３との間に第２バリアメタル層２４Ｂが形成されている（図１参照）。第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂは、銅などの材料が拡散すること（即ち、通過すること）を防止する材料（いわゆる、バリアメタル）で構成されている。具体的には、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂをそれぞれ構成する材料は、チタン、タングステン、モリブデン、及びタンタルのうちの少なくとも何れか一種を主成分として含む。それらの中でもチタンは、他の材料に比べて廉価であるため、特に好ましい。尚、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂをそれぞれ構成する材料は、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【００２９】
図５は、バリアメタル層が形成された表面電極層２の縦断面の観察像である。図５の観察像によれば、それぞれの層の境界を特定できるため、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂによって第２導電層２２の主成分である銅の拡散が防止されていることが分かる。
【００３０】
このように、第１バリアメタル層２４Ａは、第２導電層２２を構成する材料（主成分）が第１導電層２１内に拡散すること、更には第１導電層２１を通って半導体層１内に拡散することを防止する。そして、その結果として、第１導電層２１の強度の低下や半導体層１の特性の変化が防止される。又、第２バリアメタル層２４Ｂは、第２導電層２２を構成する材料（主成分）が第３導電層２３内に拡散することを防止する。そして、その結果として、第３導電層２３の強度の低下が防止される。
【００３１】
ここで、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂをそれぞれ構成する材料の主成分として選択可能なチタン、タングステン、モリブデン、及びタンタルなどは、導電率が低い材料である。従って、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂは、表面電極層２内の他の層に比べて薄く形成されることが好ましい。一例として、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂの膜厚は、０．３μｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
尚、バリアメタル層の膜厚は、半導体層１の表面１ａの平滑度にも依存する。例えば、表面１ａに１〜２μｍ程度の凹凸が存在する場合には、バリアメタル層の膜厚は０．３μｍ程度であることが好ましい。一方、表面１ａの平滑度をミラーポリッシュで高めた場合には、その平滑度に応じて、バリアメタル層の膜厚をより小さくすることができる。
【００３３】
又、上記整流ダイオードチップにおいて、第２導電層２２を構成する材料が殆ど拡散しない場合や、拡散しても他の層に悪影響を及ぼさない場合には、表面電極層２は、第１バリアメタル層２４Ａ及び第２バリアメタル層２４Ｂの両方又は何れか一方を含んでいなくてもよい。
【００３４】
更に、上記整流ダイオードチップにおいて、表面電極層２の表面２ａに接合する通電用のワイヤＷには、抵抗率が低いアルミニウム、銅、及び金のうちの少なくとも何れか一種を主成分として含むワイヤが用いられてもよい。この場合、表面電極層２の表面２ａを構成する第３導電層２３は、ワイヤＷとの接合を容易にするべく、当該ワイヤＷと同じ材料で構成されることが好ましい。又、上記整流ダイオードチップの表面電極層２の構成は、整流ダイオードチップに限定されない様々な縦型の半導体デバイスが備える表面電極層に適用できる。
【００３５】
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。更に、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３６】
１  半導体層
１ａ  表面
１ｂ  裏面
２  表面電極層
２ａ  表面
３  裏面電極層
Ｗ  ワイヤ
１１  ｎ型半導体層
１２  ｐ型半導体層
２１  第１導電層
２２  第２導電層
２３  第３導電層
２４Ａ  第１バリアメタル層
２４Ｂ  第２バリアメタル層
【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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