(57)【要約】【課題】ワイヤボンディングを行っても基板との接合の信頼性を確保することができる技術を提供する。【解決手段】半導体装置１０における電極体は、アルミニウムを含む電極膜１と、電極膜１の下に配置されたチタンを含むバリアメタル膜２と、バリアメタル膜２の下に配置されたシリコンを含む接合膜３と、を備えている。電極膜１の膜厚ｔ１とバリアメタル膜２の膜厚ｔ２とは、ｔ１≧６．６７×ｔ２＋３５００の関係式を満たしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の電極体であって、
アルミニウムを含む電極膜と、
前記電極膜の下に配置されたチタンを含むバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜の下に配置されたシリコンを含む接合膜と、を備え、
前記電極膜の膜厚ｔ１と前記バリアメタル膜の膜厚ｔ２とが、ｔ１≧６．６７×ｔ２＋３５００の関係式を満たす、電極体。
【請求項２】
前記バリアメタル膜は、前記接合膜に接触するチタン膜を備えている、請求項１に記載の電極体。
【請求項３】
並んで配置された複数のエミッタ電極と、
前記エミッタ電極に隣接して配置された複数の信号電極と、
前記エミッタ電極とエミッタ電極の間に配置された複数の温度検出用電極と、を備え、
前記信号電極及び前記温度検出用電極は、請求項１又は２に記載の電極体から構成されており、
前記信号電極における接合膜の膜厚ｔ３１と前記温度検出用電極における接合膜の膜厚ｔ３２が同じ膜厚である、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、半導体装置における電極体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体装置の電極体が開示されている。特許文献１の電極体は、電極膜と、電極膜の下に配置されたバリアメタル膜とを備えている。電極膜には、信号を入出力するためのワイヤがボンディングされる。電極体は基板の上に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２０３９５２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の電極体では、電極膜にワイヤをボンディングするときに、ボンディングの衝撃により電極膜の破壊や剥離が生じてしまうことがあった。これにより、電極体と基板の接合の信頼性が低下することがあった。そこで本明細書は、より信頼性が高いワイヤボンディング用の電極体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する半導体装置における電極体は、アルミニウムを含む電極膜と、前記電極膜の下に配置されたチタンを含むバリアメタル膜と、前記バリアメタル膜の下に配置されたシリコンを含む接合膜と、を備えている。前記電極膜の膜厚ｔ１と前記バリアメタル膜の膜厚ｔ２とは、ｔ１≧６．６７×ｔ２＋３５００の関係式を満たしている。
【０００６】
上記の膜厚ｔ１及びｔ２は、いずれも、ｎｍの単位により表した値である。
【０００７】
このような構成によれば、電極膜に対してワイヤボンディングを行っても、例えば電極膜の破壊や剥離等が生じることがなく、電極体の品質を維持することができる。これにより、電極膜にワイヤボンディングを行っても、電極体と、その下側に配置される基板との接合信頼性を確保することができる。
【０００８】
また、上記の実施形態において、前記バリアメタル膜は、前記接合膜に接触するチタン膜を備えていてもよい。
【０００９】
また、本明細書に開示する半導体装置は、並んで配置された複数のエミッタ電極と、前記エミッタ電極に隣接して配置された複数の信号電極と、前記エミッタ電極とエミッタ電極の間に配置された複数の温度検出用電極と、を備えている。前記信号電極及び前記温度検出用電極は、上記の電極体から構成されている。前記信号電極における接合膜の膜厚ｔ３１と前記温度検出用電極における接合膜の膜厚ｔ３２が同じ膜厚である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図２】図１のII−II断面図である（実施形態に係る電極体の断面図である。）。
【図３】電極膜の膜厚とバリアメタル膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。実施形態に係る半導体装置１０は、図１に示すように、基板２０の表面に形成された複数の信号電極３０、複数の温度検出用電極５０および複数のエミッタ電極４０を備えている。信号電極３０、温度検出用電極５０およびエミッタ電極４０は、互いに離間している。半導体装置１０としては、エミッタ電極、コレクタ電極及びゲート電極を備えるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を例示することができる。図１の例では、エミッタ電極４０の側から見たＩＧＢＴの平面図を示している。エミッタ電極４０は、図示しない外部端子に対してはんだにより接合される。すなわち、エミッタ電極４０は、はんだ接合用の電極である。半導体装置１０は、フォトリソグラフィー、エッチング、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の方法を用いて形成することができる。複数のエミッタ電極４０は、平面視において横方向（ｘ方向）に間隔をあけて並んで配置されている。
【００１２】
基板２０は、平面視すると略矩形状となるように形成されている。基板２０は、シリコン（Ｓｉ）によって形成されている。他の例では、基板２０は、ＳｉＣ、ＧａＮ等により形成することができる。
【００１３】
信号電極３０は、エミッタ電極４０に隣接して配置されている。複数の信号電極３０は、平面視において横方向（ｘ方向）に間隔をあけて並べて配置されている。信号電極３０及び温度検出用電極５０は、それぞれエミッタ電極４０の異なる側面に対向する位置に配置されている。信号電極３０は、エミッタ電極４０の横方向（ｘ方向）の側面に対向する位置に配置されている。これらの信号電極３０には、ゲート信号を入力するための電極、半導体装置１０に流れる電流を検出するための信号を取り出すための電極、及び半導体装置１０の温度を検出するための信号を取り出すための電極などが含まれる。
【００１４】
温度検出用電極５０は、横方向に並んだエミッタ電極４０とエミッタ電極４０との間に配置されている。複数の温度検出用電極５０は、平面視において縦方向（ｙ方向）に間隔をあけて並んで配置されている。温度検出用電極５０は、エミッタ電極４０の縦方向（ｙ方向）の側面に対向する位置に配置されている。温度検出用電極５０は、半導体装置１の温度を検出するために配置されている。
【００１５】
次に、信号電極３０の電極体および温度検出用電極５０の電極体について説明する。本実施形態における信号電極３０の電極体と温度検出用電極５０の電極体は同じ積層構造を有しているので併せて説明する。電極体（信号電極３０ならび温度検出用電極５０）は、それぞれ、図２に示すように、基板２０の上に配置された絶縁膜４と、絶縁膜４の上に配置された接合膜３と、接合膜３の上に配置されたバリアメタル膜２と、バリアメタル膜２の上に配置された電極膜１とを備えている。信号電極３０の電極体と温度検出用電極５０の電極体は互いに離間している。電極体の周囲には封止樹脂（図示省略）が充填されており全体が封止されている。
【００１６】
電極膜１及びバリアメタル膜２は金属を主成分とする膜である。電極膜１は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分として含んでいる。本実施形態では電極膜１の材質としてアルミシリコン合金（ＡｌＳｉ）を用いている。アルミシリコン合金は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分として含み、シリコン（Ｓｉ）を添加した合金である。電極膜１の表面１１は外部に露出している。電極膜１の表面１１に、信号を入力又は出力するためのワイヤ（図示省略）がボンディングされる。本実施形態では電極膜１の膜厚ｔ１を４．５μｍ（４５００ｎｍ）以上とした。
【００１７】
バリアメタル膜２は、電極膜１の下に配置されている。バリアメタル膜２は、チタン（Ｔｉ）を含んでいる。本実施形態のバリアメタル膜２は、２層構造になっており、接合膜３の上に配置されたチタン膜２１と、チタン膜２１の上に配置された窒化チタン膜２２とを備えている。チタン膜２１は、チタン（Ｔｉ）を主成分として含んでおり、窒化チタン膜２２は、窒化チタン（ＴｉＮ）を主成分として含んでいる。チタン膜２１が下側に配置され、窒化チタン膜２２が上側に配置されている。チタン膜２１は、その下に配置された接合膜３に接触している。チタン膜２１と接合膜３が結合することにより合金膜が形成される。バリアメタル膜２は、電極膜１に含まれるアルミニウム（Ａｌ）がバリアメタル膜２より下側に拡散するのを防ぐ膜である。本実施形態ではバリアメタル膜２の膜厚ｔ２を１５０ｎｍとした。
【００１８】
電極膜１の膜厚ｔ１（単位：ｎｍ）とバリアメタル膜２の膜厚ｔ２（単位：ｎｍ）は、下記の関係式（１）を満たしている。電極膜１の膜厚ｔ１及びバリアメタル膜２の膜厚ｔ２の組み合わせは、図３における「○：合格範囲」の領域に含まれる。なお、関係式（１）の導出については後述する。
【００１９】
ｔ１≧６．６７×ｔ２＋３５００    関係式（１）
【００２０】
接合膜３は、バリアメタル膜２の下に配置されている。接合膜３は、バリアメタル膜２のうち下側に位置するチタン膜２１と接触している。接合膜３は、ポリシリコンを主成分として含んでいる。接合膜３に含まれるシリコンは、その上のチタン膜２１に含まれるチタンと結合して合金（チタンシリサイド（ＴｉＳｉ２））を形成する。これにより、接合膜３とバリアメタル膜２が密に結合する。接合膜３は、その下側の絶縁膜４と上側のバリアメタル膜２とを接合する。接合膜３の下側の絶縁膜４と上側のバリアメタル膜２とは密着性が良くないが、両者の間に接合膜３を配置することにより、接合膜３を介して絶縁膜４とバリアメタル膜２とを接合している。信号電極３０における接合膜３の膜厚ｔ３１と温度検出用電極５０における接合膜３の膜厚ｔ３２は、同じ膜厚である。
【００２１】
絶縁膜４は、接合膜３の下に配置されている。絶縁膜４は、非導電性の材質から形成されている。絶縁膜４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成されている。他の例では、絶縁膜４は、ＳｉＯ、ＳｉＮ等により形成することができる。絶縁膜４は、その上の接合膜３と密着している。
【００２２】
信号電極３０の電極体と温度検出用電極５０の電極体とは、同じ工程により形成されている。すなわち、信号電極３０及び温度検出用電極５０において絶縁膜４、接合膜３、バリアメタル膜２、および電極膜１をそれぞれ形成するときに、信号電極３０及び温度検出用電極５０における膜を同じ工程で同時に形成する。また、それぞれの膜をエッチングによって部分的に除去することにより、信号電極３０の電極体と温度検出用電極５０の電極体を分離する。すなわち、信号電極３０における各膜と温度検出用電極５０における各膜は、それぞれ一体的に形成され、エッチングにより分離される。信号電極３０及び温度検出用電極５０においてそれぞれの膜を同じ工程で形成するので、信号電極３０の電極体と温度検出用電極５０の電極体が同じ積層構造となる。これにより、信号電極３０における接合膜３の膜厚ｔ３１と温度検出用電極５０における接合膜３の膜厚ｔ３２が同じ膜厚になる。また、他の膜の膜厚についても同様である。なお、同じ膜厚とは、厳密に同一の膜厚のみではなく膜を形成するときの製造誤差の範囲を含む。
【００２３】
次に、関係式（１）の導出について説明する。関係式（１）は以下の実験から導出された。実験では、上記の構成を備える電極体（信号電極３０）に対してボンディングを行った。より詳細には、ワイヤボンディング装置を用いて、電極膜１の表面１１に対してアルミニウム製のワイヤをボンディングした。また、電極膜１の膜厚ｔ１及びバリアメタル膜２の膜厚ｔ２を様々に変えてワイヤボンディングを行った。電極膜１の膜厚ｔ１は、４．３μｍ（４３００ｎｍ）、４．５μｍ（４５００ｎｍ）、４．７μｍ（４７００ｎｍ）、４．９μｍ（４９００ｎｍ）、５．１μｍ（５１００ｎｍ）、および５．３μｍ（５３００ｎｍ）とした。バリアメタル膜２の膜厚ｔ２は、１２０ｎｍ、１３５ｎｍ、１５０ｎｍ、１６５ｎｍ、および１８０ｎｍとした。
【００２４】
上記の膜厚ｔ１及びｔ２をそれぞれ組み合わせて、各組み合わせについてワイヤボンディングを行った。より詳細には、各組み合わせについてそれぞれ８０個のサンプルを準備し、各サンプルに対してワイヤボンディングを行った。ワイヤボンディングを行った後、各サンプルに異常が生じているか否かを観察した。例えば、電極膜１の破壊や剥離等の異常が生じているか否かを顕微鏡により観察した。そして、サンプルに異常が生じていない場合は、そのサンプルを良品（ＯＫ）と判定した。一方、サンプルに異常が生じている場合は、そのサンプルを不良品（ＮＧ）と判定した。上記の膜厚ｔ１及びｔ２の各組み合わせについて、８０個のサンプルの中から不良品（ＮＧ）のサンプルの個数を調べた。そして、８０個のサンプルのうち全てのサンプルが良品（ＯＫ）である場合（不良品（ＮＧ）のサンプルが存在しない場合）は、合格（○）と判定した。一方、８０個のサンプルのうち不良品（ＮＧ）のサンプルが少なくとも１個存在する場合は、不合格（×）と判定した。
【００２５】
表１に、膜厚ｔ１及びｔ２の各組み合わせについて、判定（合格（○）又は不合格（×））、およびＮＧ数（不良品（ＮＧ）のサンプルの個数／全サンプルの個数（８０個））を示す。
【表１】
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【００２６】
電極膜１の膜厚ｔ１とバリアメタル膜２の膜厚ｔ２との関係について、表１に基づいて関係式（１）を導出した。より詳細には、表１に基づいて、合格（○）の範囲を示す不等式を導出した。具体的には、不等式：ｔ１≧ａ×ｔ２＋ｂに電極膜１の膜厚ｔ１とバリアメタル膜２の膜厚ｔ２を代入してａ及びｂを算出し、関係式（１）［ｔ１≧６．６７×ｔ２＋３５００］を導出した。代入する膜厚ｔ１及びｔ２は、合格（○）の境界における膜厚ｔ１及びｔ２とした。具体的には、表１の網かけ部分における膜厚ｔ１及びｔ２を代入した。なお、有効数字は３桁とした。これにより、関係式（１）を導出することができる。
【００２７】
上述の実験から明らかなように、膜厚ｔ１、ｔ２が図３の合格範囲内の値を有していれば、高い信頼性でワイヤボンディングを実施することができる。このため、実施形態に係る電極体（信号電極３０）によれば、電極膜１に対してワイヤボンディングを行っても、例えば電極膜１の破壊や剥離等が生じることがなく、電極体に異常が生じるのを防ぐことができる。これにより、ワイヤボンディングを行っても、電極体と、その下側の基板２０との接合の信頼性を確保することができる。
【００２８】
また、金属のバリアメタル膜２と非導電性の絶縁膜４との密着性は良くないが、実施形態に係る電極体（信号電極３０）によれば、バリアメタル膜２と絶縁膜４の間に接合膜３を備えることによりバリアメタル膜２と絶縁膜４とを接合することができる。すなわち、絶縁膜４の上にシリコンを含む接合膜３が密着しており、接合膜３の上にバリアメタル膜２のチタン膜２１が配置されており、接合膜３に含まれるシリコンとチタン膜２１に含まれるチタンが結合して合金を形成するので、バリアメタル膜２と絶縁膜４とを確実に接合することができる。このように、接合膜３により、上側の膜（本実施形態ではバリアメタル膜２）と下側の膜（本実施形態では絶縁膜４）を確実に接合することができ、接合の信頼性を更に高めることができる。
【００２９】
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では半導体装置１０としてＩＧＢＴを例示していたが、この構成に限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴやＣＭＯＳ等でもよい。
【００３０】
また、上記実施形態では信号電極３０の電極体と温度検出用電極５０の電極体とが同じ積層構造を有していたが、これに限定されるものではなく、温度検出用電極５０の電極体は、信号電極３０の電極体と異なる積層構造であってもよく、上述した電極体の積層構造とは異なる積層構造を用いることができる。例えば、信号電極３０および温度検出用電極５０において絶縁膜４および接合膜３を同じ構造にし、その上に配置される膜の膜厚を異なる膜厚にしてもよい。
【００３１】
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。
【符号の説明】
【００３２】
１；電極膜
２；バリアメタル膜
３；接合膜
４；絶縁膜
１０；半導体装置
１１；表面
２０；基板
２１；チタン膜
２２；窒化チタン膜
３０；信号電極
４０；エミッタ電極
５０；温度検出用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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