(57)【要約】【課題】電極に生じたクラックが半導体基板内にまで伸展することを抑制できる構造の半導体装置を開示する。【解決手段】半導体装置２は、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された表面電極４０を有している。表面電極４０は、半導体基板１０上に形成されているＡｌＳｉ製の第１電極層４２と、第１電極層４２の表面に形成されているＡｌ製の第２電極層４４と、第２電極層４４の表面に形成されているＡｌＳｉ製の第３電極層４６を有している。第２電極層４４の強度は第３電極層４６の強度よりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成されている半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されている電極、
を有しており、
前記電極は、
前記半導体基板上に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第１電極層と、
前記第１電極層の表面に形成されている第２電極層と、
前記第２電極層の表面に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第３電極層、
を有し、
前記第２電極層は、前記第１電極層及び前記第３電極層と異なる材料で形成されており、前記第２電極層の強度が前記第３電極層の強度よりも高い、
半導体装置。
【請求項２】
半導体素子が形成されている半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されている電極、
を有しており、
前記電極は、
前記半導体基板上に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第１電極層と、
前記第１電極層の表面に形成されている第２電極層と、
前記第２電極層の表面に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第３電極層、
を有し、
前記第２電極層は、前記第１電極層及び前記第３電極層と異なる材料で形成されており、前記第２電極層の強度が前記第１電極層の強度よりも低い、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体素子が形成された半導体基板上に形成する電極の強度を高めるために、ＡｌにＳｉを含有させたＡｌＳｉ合金製の電極を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４７３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電極の表面には他部材（例えば、ポリイミド層、Ｎｉめっき層等）が配置される。半導体装置の動作に伴って熱が加わると、電極の表面のうち他部材と接触している部分に負荷が加わり、その部分を始点として、電極の表面から裏面に向けてクラックが生じる場合がある。特許文献１の技術では、電極にクラックが生じる場合、クラックが半導体基板内にまで伸展するおそれがある。
【０００５】
本明細書では、電極に生じたクラックが半導体基板内にまで伸展することを抑制できる構造の半導体装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体装置の一つは、半導体素子が形成されている半導体基板と、半導体基板上に形成されている電極を有している。電極は、半導体基板上に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第１電極層と、第１電極層の表面に形成されている第２電極層と、第２電極層の表面に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第３電極層を有している。第２電極層は、第１電極層及び第３電極層と異なる材料で形成されており、第２電極層の強度は第３電極層の強度よりも高い。
【０００７】
この構成によると、半導体装置の動作に伴って熱が加わることにより、他部材と接触している電極の表面に負荷が加わり、電極の表面（即ち第３電極層）にクラックが生じた場合であっても、第２電極層の強度が第３電極層の強度よりも高いため、発生したクラックは、第３電極層内で伸展し続け、第２電極層内にまで伸展することが抑制される。クラックは、強度がより低い部分内で優先的に伸展する傾向があるためである。そのため、電極に生じたクラックが半導体基板内にまで伸展することを抑制することができる。
【０００８】
「半導体基板上に形成された電極」とは、半導体基板の表面に電極が直接接続されていることと、半導体基板の表面と電極との間に別の層（例えばＴｉ層等の導電体層）が介在していることのどちらも含む。また、「強度」とは、各電極層に作用する応力に対する強さを意味する。例えば、強度は、疲労強度によって定義することができる。疲労強度が高いほど、強度が高いと言うことができる。疲労強度は、例えば、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard（日本工業規格）の略）に定められた試験方法（疲れ試験）によって測定することができる。また、疲労強度は、引張強度、０．２％耐力、硬さ、剪断強度等の他の機械的性質と密接な関係があることも知られており、疲労強度を明確に定めることができない材料（例えば明確な疲労限度を示さない材料）の場合は、例えば、引張強度、０．２％耐力、硬さ、剪断強度、のいずれか１つ以上を疲労強度の代替としてもよいことも知られている。これらの機械的性質も、例えば、ＪＩＳに定められた試験方法（引張試験等）によって測定することができる。本明細書では、引張強度のことを「強度」の一例として説明する場合がある。
【０００９】
本明細書が開示する半導体装置の他の一つは、半導体素子が形成されている半導体基板と、半導体基板上に形成されている電極を有している。電極は、半導体基板上に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第１電極層と、第１電極層の表面に形成されている第２電極層と、第２電極層の表面に形成され、Ａｌを含有する材料で形成されている第３電極層を有している。第２電極層は、第１電極層及び第３電極層と異なる材料で形成されており、第２電極層の強度は第１電極層の強度よりも低い。
【００１０】
この構成によると、電極の表面（即ち第３電極層）にクラックが生じた場合であっても、第２電極層の強度が第１電極層の強度より低いため、発生したクラックは、第３電極層から第２電極層まで伸展した後、第２電極層内で伸展し続け、第１電極層内にまで伸展することが抑制される。クラックは、強度がより低い部分内で優先的に伸展する傾向があるためである。そのため、電極に生じたクラックが半導体基板内にまで伸展することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の半導体装置２を模式的に示す断面説明図。
【図２】比較例の半導体装置１０２の表面電極１４０にクラック１９０が発生する様子を模式的に示す断面説明図。
【図３】第１実施例の半導体装置２の表面電極４０にクラック９０が発生する様子を模式的に示す断面説明図。
【図４】第２実施例の半導体装置２０２を模式的に示す断面説明図。
【図５】第２実施例の半導体装置２０２の表面電極２４０にクラック２９０が発生する様子を模式的に示す断面説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施例）
図１に示すように、本実施例の半導体装置２は、半導体基板１０と表面電極４０とポリイミド層６０と表面Ｎｉ層７０と裏面電極８０と裏面Ｎｉ層８５を有する。
【００１３】
半導体基板１０は、Ｓｉ基板である。半導体基板１０には、ＩＧＢＴが形成されている。半導体基板１０には、ｎ型のエミッタ領域１２、ｐ型のボディ領域１４、ｎ型のドリフト領域１６、及び、ｐ型のコレクタ領域１８が形成されている。エミッタ領域１２は、半導体基板１０の表面１０ａ（図１の上側の面）に臨む範囲に形成されている。ボディ領域１４は、エミッタ領域１２の側方及び下側に形成されている。ドリフト領域１６は、ボディ領域１４の下側に形成されている。コレクタ領域１８は、ドリフト領域１６の下側であって、半導体基板１０の裏面１０ｂ（図１の下側の面）に臨む範囲に形成されている。エミッタ領域１２の表面１０ａに臨む範囲とボディ領域１４の表面１０ａに臨む範囲は、
表面電極４０にオーミック接続している。コレクタ領域１８の裏面１０ｂに臨む範囲は、裏面電極８０にオーミック接続している。
【００１４】
また、半導体基板１０の表面１０ａには複数本のゲートトレンチ２０が形成されている。各ゲートトレンチ２０の内側にはゲート絶縁膜２２が形成されており、ゲート絶縁膜２２の内側にはゲート電極２４が形成されている。ゲート電極２４の上面には層間絶縁膜２６が形成されている。層間絶縁膜２６により、ゲート電極２４は表面電極４０から電気的に絶縁されている。ゲート電極２４は、図示しない位置で、半導体基板１０の表面１０ａに設けられているゲート電極パッド（図示しない）に電気的に接続されている。
【００１５】
表面電極４０は、半導体基板１０の表面１０ａに形成されている。表面電極４０は、ＩＧＢＴのエミッタ領域１２とボディ領域１４に接続されるエミッタ電極である。表面電極４０は、第１電極層４２、第２電極層４４、及び、第３電極層４６を有する。
【００１６】
第１電極層４２は、半導体基板１０の表面１０ａに形成されている。第１電極層４２は、ＡｌにＳｉが加えられたＡｌＳｉ合金製の電極層である。第１電極層４２のＳｉ濃度は、例えば、１．０〜３．０％である。第１電極層４２の厚さは、例えば１．０〜１０μｍである。第１電極層４２の引張強度は、例えば、１０８Ｎ／ｍｍ２である。以下、本実施例では、「強度」の基準として引張強度を採用する場合を例として説明する。
【００１７】
第２電極層４４は、第１電極層４２の表面に形成されている。第２電極層４４は、ＡｌにＣｕが加えられたＡｌＣｕ合金製の電極層である。第２電極層４４のＣｕ濃度は、例えば、０．５〜３．０％である。第２電極層４４の厚さは、例えば、０．１〜１．０μｍである。第２電極層４４の引張強度は、例えば、４９０Ｎ／ｍｍ２であり、第１電極層４２の引張強度よりも高い。
【００１８】
第３電極層４６は、第２電極層４４の表面に形成されている。第３電極層４６は、第１電極層４２と同様のＡｌＳｉ合金製の電極層である。第３電極層４６の厚さも、第１電極層４２と同様に、例えば１．０〜１０μｍである。また、第３電極層４６の引張強度も、第１電極層４２の引張強度と同様に、例えば１０８Ｎ／ｍｍ２である。即ち、上記の第２電極層４４の引張強度は、第３電極層４６の引張強度よりも高い。
【００１９】
ポリイミド層６０は、表面電極４０（即ち、第３電極層４６）の表面の一部に形成されている絶縁層である。
【００２０】
表面Ｎｉ層７０は、表面電極４０（即ち、第３電極層４６）の表面のうち、ポリイミド層６０が形成されていない範囲に形成されているＮｉめっき層である。
【００２１】
裏面電極８０は、半導体基板１０の裏面１０ｂ全面に形成されている。裏面電極８０は、ＩＧＢＴのコレクタ領域１８に接続されるコレクタ電極である。裏面電極８０は、上記の第１電極層４２と同様のＡｌＳｉ合金製の電極である。
【００２２】
裏面Ｎｉ層８５は、裏面電極８０の裏面全面に形成されているＮｉめっき層である。
【００２３】
半導体装置２を使用する際には、表面Ｎｉ層７０の表面にはんだを介してスペーサ材を接続し、そのスペーサ材の表面にはんだを介してリードフレームを接続する。また、裏面Ｎｉ層８５の裏面にも、はんだを介してリードフレームを接続する。また、ゲート電極２４と電気的に接続されているゲート電極パッド（図示しない）にはワイヤを接続する。
【００２４】
本実施例の半導体装置２の作用効果を十分に説明するために、図２を参照して、比較例である従来の半導体装置１０２について説明する。図２では、本実施例の半導体装置２（図１参照）と同様の構成を備える要素は、図１と同様の符号で示している。従来の半導体装置１０２は、表面電極１４０の構成が本実施例の半導体装置２とは異なる。表面電極１４０は、ＡｌＳｉ合金製の電極である。表面電極１４０は、本実施例の表面電極４０のように、３つの電極層を有していない。即ち、表面電極１４０は、どの部分もほぼ同じ引張強度を有する。
【００２５】
半導体装置１０２の動作に伴って熱が加わると、ポリイミド層６０及び表面Ｎｉ層７０と接触している表面電極１４０の表面部分（特に、ポリイミド層６０と表面Ｎｉ層７０と表面電極１４０の三者が接触する部分）に負荷が加わり、表面電極１４０の表面から裏面に向けてクラック１９０が生じる場合がある。表面電極１４０は、どの部分もほぼ同じ引張強度を有するため、クラック１９０は、表面電極１４０の裏面に向けて伸展し、半導体基板１０内にまで達するおそれがある。
【００２６】
これに対し、上記の通り、本実施例の半導体装置２では、表面電極４０は、第１電極層４２、第２電極層４４、及び、第３電極層４６を有している。そのため、仮に、第３電極層４６の表面部分に負荷が加わり、図３に示すように第３電極層４６にクラック９０が生じた場合であっても、第２電極層４４の引張強度は第３電極層４６の強度よりも高いため、発生したクラック９０は、第３電極層４６内で伸展し続け、第２電極層４４内にまで伸展しない。クラック９０は、引張強度がより低い部分内で優先的に伸展する傾向があるためである。従って、本実施例では、表面電極４０に生じたクラック９０が半導体基板１０内にまで伸展することを抑制することができる。
【００２７】
（第２実施例）
図４を参照して、本実施例の半導体装置２０２について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図４でも、第１実施例の半導体装置２（図１参照）と同様の構成を備える要素は、図１と同様の符号で示している。本実施例の表面電極２４０も、第１電極層２４２、第２電極層２４４、及び、第３電極層２４６を有している。第１電極層２４２、第３電極層２４６は、第１実施例の第１電極層４２、第３電極層４６と同様の構成を有するため、詳しい説明は省略する。
【００２８】
本実施例の第２電極層２４４も、第１電極層２４２と第３電極層２４６の間に形成された電極層である点で、第１実施例の第２電極層４４と共通する。ただし、本実施例の第２電極層２４４は、不純物が加えられていないＡｌ製の電極層である。第２電極層２４４の厚さは、例えば、０．１〜１．０μｍである。第２電極層２４４の引張強度は、例えば、６８Ｎ／ｍｍ２であり、第１電極層２４２、第３電極層２４６の引張強度よりも低い。
【００２９】
本実施例の半導体装置２０２でも、表面電極２４０は、第１電極層２４２、第２電極層２４４、及び、第３電極層２４６を有している。そのため、仮に、第３電極層２４６の表面部分に負荷が加わり、図５に示すように第３電極層２４６にクラック２９０が生じた場合であっても、第２電極層２４４の引張強度は第１電極層２４２の引張強度よりも低いため、発生したクラック２９０は、第３電極層２４６から第２電極層２４４まで伸展した後、第２電極層２４４内で伸展し続け、第１電極層２４２内にまで伸展することが抑制される。クラック２９０は、引張強度がより低い部分に優先的に伸展する傾向があるためである。従って、本実施例でも、表面電極２４０に生じたクラック２９０が半導体基板１０内にまで伸展することを抑制することができる。
【００３０】
以上、本明細書に開示の技術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。例えば、以下の変形例を採用してもよい。
【００３１】
（変形例１）上記の第１実施例では、第２電極層４４は、ＡｌＣｕ製の電極層である。しかしながら、第２電極層４４は、第３電極層４６よりも引張強度が高い金属であれば、ＡｌＣｕに限られず、どのような金属によって形成されていてもよい。例えば、第３電極層４６がＡｌＳｉ製の電極層である場合、第２電極層４４は、ＡｌＴｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかによって形成されていてもよい。ＡｌＴｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒは、いずれも、ＡｌＳｉよりも引張強度が高い。
【００３２】
（変形例２）上記の第１実施例では、第１電極層４２と第３電極層４６は、ともにＡｌＳｉ製の電極層である。しかしながら、第２電極層４４の引張強度が、第３電極層４６の引張強度よりも高く、かつ、第１電極層４２と第３電極層４６がともにＡｌを含む材料であれば、第１電極層４２と第３電極層４６は、ＡｌＳｉ以外の材料（例えば、Ａｌ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ等）で形成されていてもよい。また、第１電極層４２と第３電極層４６が異なる材料で形成されていてもよい。従って、例えば、第１電極層４２がＡｌＳｉ製であり、第２電極層４４がＡｌＣｕ製であり、第３電極層４６がＡｌ製であってもよい。ここで、第１電極層４２がＡｌを含む材料で形成されている必要があるのは、Ｓｉ製の半導体基板１０の表面１０ａに接続する際に、他の材料に比べて接続が容易であるためである。また、第３電極層４６がＡｌを含む材料で形成されている必要があるのは、第３電極層４６の表面に無電解めっき法によって表面Ｎｉ層７０を形成するためである。
【００３３】
（変形例３）上記の第２実施例では、第２電極層２４４は、Ａｌ製の電極層である。しかしながら、第２電極層２４４は、第１電極層２４２よりも引張強度が低い金属であれば、Ａｌに限られず、どのような金属によって形成されていてもよい。例えば、第１電極層２４２がＡｌＣｕ製の電極層である場合において、第２電極層２４４は、ＡｌＳｉ、Ｔｉ、Ｃｕのいずれかによって形成されていてもよい。ＡｌＳｉ、Ｔｉ、Ｃｕは、いずれも、ＡｌＣｕよりも引張強度が低い。
【００３４】
（変形例４）上記の第２実施例では、第１電極層２４２と第３電極層２４６は、ともにＡｌＳｉ製の電極層である。しかしながら、第２電極層２４４の引張強度が、第１電極層２４２の引張強度よりも低く、かつ、第１電極層４２と第３電極層４６がともにＡｌを含む材料であれば、第１電極層４２と第３電極層４６は、ＡｌＳｉ以外の材料（例えば、Ａｌ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ等）で形成されていてもよい。また、第１電極層４２と第３電極層４６が異なる材料で形成されていてもよい。従って、例えば、第１電極層２４２がＡｌＣｕ製であり、第２電極層２４４がＡｌＳｉであり、第３電極層２４６がＡｌ製であってもよい。ＡｌＳｉは、ＡｌＣｕよりも引張強度が低い。第１電極層２４２と第３電極層２４６がそれぞれＡｌを含む材料で形成されている必要がある理由は、上記の通りである。
【００３５】
（変形例５）上記の各実施例では、表面電極４０、２４０は、半導体基板１０の表面１０ａ（即ちエミッタ領域１２の表面）に直接接続されている。これに限られず、表面電極４０、２４０と半導体基板１０の表面１０ａとの間に別の導電体層（例えばＴｉ層等）が介在していてもよい。この変形例も「半導体基板上に形成された電極」の一例である。
【００３６】
（変形例６）上記の各実施例では、「強度」の基準として引張強度を採用する場合を例として説明した。これに限られず、「強度」の基準は、各電極層に作用する応力に対する強さを表す基準であれば、引張強度に限らず、疲労強度、０．２％耐力、硬さ、剪断強度等、任意の基準を採用してもよい。例えば、第１実施例において、強度の基準として疲労強度を採用する場合、第２電極層４４の疲労強度が、第３電極層４６の疲労強度よりも高ければよい。同様に、第２実施例において、強度の基準として疲労強度を採用する場合、第２電極層２４４の疲労強度が、第１電極層２４２の疲労強度よりも低ければよい。
【００３７】
（変形例７）上記の各実施例では、半導体基板１０にＩＧＢＴが形成されている例について説明した。これに限られず、半導体基板１０に他の半導体素子（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ等）が形成されていてもよい。
【００３８】
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、本明細書又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】
【００３９】
２：半導体装置
１０：半導体基板
１２：エミッタ領域
１４：ボディ領域
１６：ドリフト領域
１８：コレクタ領域
２０：ゲートトレンチ
２２：ゲート絶縁膜
２４：ゲート電極
２６：層間絶縁膜
４０：表面電極
４２：第１電極層
４４：第２電極層
４６：第３電極層
６０：ポリイミド層
７０：表面Ｎｉ層
８０：裏面電極
８５：裏面Ｎｉ層
９０：クラック
１０２：半導体装置
１４０：表面電極
１９０：クラック
２０２：半導体装置
２４０：表面電極
２４２：第１電極層
２４４：第２電極層
２４６：第３電極層
２９０：クラック
【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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