(57)【要約】【課題】電極材料として銅が用いられている積層電極において、強固な密着力と高い熱伝導性を両立させる技術を提供する。【解決手段】積層電極６は、半導体基板２に電気的に接触するためのコンタクト層３、外部端子と接合するための銅合金の接合層５、及び、コンタクト層３と接合層５の間に設けられており、コンタクト層３と接合層５の双方に接しており、Ｔａ又はＴｉを含む導電性のバリアメタル層４、を備える。接合層５が、添加金属を含む。添加金属が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種類を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられている積層電極であって、
前記半導体基板に電気的に接触するためのコンタクト層と、
外部端子と接合するための銅合金の接合層と、
前記コンタクト層と前記接合層の間に設けられており、前記コンタクト層と前記接合層の双方に接しており、Ｔａ又はＴｉを含む導電性のバリアメタル層と、を備えており、
前記接合層が、添加金属を含み、
前記添加金属が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種類を含む、積層電極。
【請求項２】
前記接合層に含まれる前記添加金属の含有量が、０．２原子％以上であり、且つ、５原子％以下である、請求項１に記載の積層電極。
【請求項３】
前記バリアメタル層が、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ又はＴｉＮである、請求項１又は２に記載の積層電極。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層電極を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体基板上に設けられている積層電極に関する。本明細書が開示する技術はまた、積層電極を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ又はコンバータ等に用いられる電力用の半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置では、素子内部で発熱した熱を効率的に放熱することが求められている。このため、この種の半導体装置に用いられる電極材料として、熱伝導性に優れる銅を採用する試みが行われている。
【０００３】
特許文献１は、電極材料に銅が採用されている積層電極を開示する。この積層電極は、半導体基板に電気的に接触するためのコンタクト層、外部端子と接合するための銅層、コンタクト層と銅層の間に設けられているバリアメタル層を備える。バリアメタル層は、銅がコンタクト層を超えて半導体基板に拡散するのを抑制するためのものであり、Ｔａ又はＴｉを含む導電性の金属層である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１０７３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の積層電極では、銅層とバリアメタル層の間の密着力が低下して両者が剥離し、半導体装置の電気的特性又は機械的特性が悪化することが懸念される。このため、特許文献１は、銅層とバリアメタル層の間にＴｉの接着層を介在させることを提案する。しかしながら、このような接着層を介在させると、積層電極の層数が増加して熱抵抗が増大するという問題がある。
【０００６】
本明細書は、電極材料として銅が用いられている積層電極において、強固な密着力と高い熱伝導性を両立させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書は、半導体基板上に設けられている積層電極を開示する。積層電極は、半導体基板に電気的に接触するためのコンタクト層、外部端子と接合するための銅合金の接合層、及び、コンタクト層と接合層の間に設けられており、コンタクト層と接合層の双方に接しており、Ｔａ又はＴｉを含む導電性のバリアメタル層を備える。接合層は、添加金属を含む。添加金属が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種類を含む。
【０００８】
接合層に含まれる添加金属の原子半径は、銅よりもバリアメタル層のＴａ又はＴｉの原子半径に近い。このため、接合層に含まれる添加金属は、バリアメタル層に容易に固溶する。これにより、接合層とバリアメタル層は、強固な密着力を得ることができる。さらに、接合層とバリアメタル層の間に他の層を介在させる必要がないので、積層電極の層数の増加が抑えられ、熱抵抗の増大も抑えられる。このように、上記態様の積層電極は、強固な密着力と高い熱伝導性を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書で開示される半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図２】試験用チップの断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１に示されるように、半導体装置１は、半導体基板２及び積層電極６を備える。半導体基板２は、例えば、シリコン基板、炭化珪素基板又は窒化ガリウム基板であり、特定機能を発揮する回路素子が形成されている。この例では、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等の電力用半導体装置が半導体基板２に形成されている。
【００１１】
積層電極６は、半導体基板２に形成されている電力用半導体装置に接続しており、コンタクト層３、バリアメタル層４及び銅合金の接合層５を有する。
【００１２】
コンタクト層３は、半導体基板２の表面に接しており、電力用半導体装置を構成する不純物領域に電気的に接触する。例えば、コンタクト層３は、電力用半導体装置を構成する不純物領域にオーミック接触又はショットキー接触する。例えば、半導体基板２の材料が炭化珪素の場合、ｎ型の不純物領域にオーミック接触するコンタクト層３の材料には、ニッケルシリサイドが用いられる。ニッケルシリサイドは、ニッケルとシリコンの金属間化合物である。一例では、ニッケルシリサイドは、Ｎｉ3Ｓｉ、Ｎｉ2Ｓｉ、Ｎｉ3Ｓｉ2、ＮｉＳｉからなる群から選択される少なくとも１つを含む。コンタクト層３は、例えばスパッタリング技術を利用して、半導体基板２の表面に形成される。
【００１３】
バリアメタル層４は、コンタクト層３と接合層５の間に設けられており、コンタクト層３と接合層５の双方に接する。バリアメタル層４は、Ｔａ又はＴｉを含む導電性の金属層であり、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ又はＴａＮであるのが望ましい。バリアメタル層４は、接合層５に含まれる銅がコンタクト層３を超えて半導体基板２に拡散するのを抑制するために設けられている。バリアメタル層４は、例えばスパッタリング技術を利用して、コンタクト層３の表面に形成される。
【００１４】
接合層５は、バリアメタル層４上に設けられており、外部端子に接合する。接合層５は、例えば、はんだが表面に塗布され、リードフレーム、ワイヤ等がリフローにより接合される。接合層５は、添加金属を含む銅合金である。添加金属には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種類が用いられる。バリアメタル層４は、例えばスパッタリング技術を利用して、バリアメタル層４の表面に形成される。
【００１５】
積層電極６は、接合層５に添加金属が含まれていることを特徴とする。接合層５に含まれる添加金属の原子半径は、銅よりもバリアメタル層４のＴａ又はＴｉの原子半径に近い。即ち、銅の原子半径とＴａ又はＴｉの原子半径の差よりも添加金属の原子半径とＴａ又はＴｉの原子半径の差が小さい。このため、接合層５に含まれる添加金属は、バリアメタル層４に容易に固溶する。これにより、接合層５とバリアメタル層４は、強固な密着力を得ることができる。また、積層電極６は、接合層５とバリアメタル層４が直接的に接していることを特徴とする。換言すると、接合層５とバリアメタル層４の間に他の層が介在していない。このため、積層電極６は少ない層数で構成されるので、熱抵抗が低く、高い熱伝導性を有することができる。また、積層電極６が少ない層数で構成されるので、製造工程が簡単化され、低い製造コストで積層電極６を形成することができる。
【００１６】
接合層５に含まれる添加金属の含有量が、０．２原子％以上であるのが望ましい。含有量が０．２原子％以上であると、接合層５とバリアメタル層４の密着力の向上に寄与する十分な原子数が確保される。これにより、接合層５とバリアメタル層４の密着力が向上する。また、含有量が０．２原子％以上であると、接合層５の結晶粒が微小化される。このため、接合層５の粒界に加わる応力が小さくなり、この結果、接合層５とバリアメタル層４の界面の熱応力が低下し、接合層５とバリアメタル層４の密着力が向上する。この点において、接合層５の結晶粒径は５００ｎｍ以下であるのが望ましい。さらに、接合層５に含まれる添加金属の含有量が、５原子％以下であるのが望ましい。含有量が５原子％以下であると、銅合金である接合層５が高い熱伝導性を維持することができる。
【実施例１】
【００１７】
（密着力評価試験）
図２に示す試験用チップ１０を用意し、積層電極１６の密着力評価試験を行った。図２に示す試験用チップ１０は、以下の手順で用意した。まず、ｎ型の炭化珪素の半導体基板１２を用意した。次に、スパッタリング技術を利用して、半導体基板１２上にニッケルシリサイド（Ｎｉ2Ｓｉ）のコンタクト層１３と窒化タンタル（ＴａＮ）のバリアメタル層１４の順次成膜した。コンタクト層１３の厚みは約０．２μｍであり、バリアメタル層１４の厚みは約０．１μｍである。次に、スパッタリング技術を利用して、バリアメタル層１４上に銅合金の接合層１５を成膜した。接合層１５の厚みは約５μｍである。接合層１５に添加する金属の種類を変えて複数種類の試験用チップ１０を作成した。
【００１８】
密着力評価試験は、ＳＡＩＣＡＳ（Surface and Interfacial Cutting Analysis System）法により行った。具体的には、接合層１５とバリアメタル層１４の界面に沿って刃幅３００μｍの切刃を水平移動させ、そのときに切刃に加わる水平抗力を切刃の刃幅で除した値を剥離強度として算出した。密着力評価試験では、冷熱サイクルの前後の剥離強度を測定した。冷熱サイクルは、−４０℃と２００℃の温度サイクルを１時間かけて実施し、この温度サイクルを５００回繰り返した。表１に、密着力評価試験の結果を示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１に示されるように、実施例１〜１２はいずれも、比較例１に比して、冷熱サイクル前において高い剥離強度を有している。このため、接合層１５は、添加金属を含むことで、バリアメタル層１４に対して強固に密着することが確認された。さらに、実施例１〜１２はいずれも、冷熱サイクルの前後において剥離強度の変化が小さく、冷熱サイクル後でも剥離強度が２００Ｎ／ｍ以上を示す。一方、比較例１及び２はいずれも、冷熱サイクル後において剥離強度の変化が大きく低下する。実施例１〜１２は、冷熱サイクル前後において、強固な密着性を維持できることが確認された。このような結果から、積層電極１６を備える半導体装置は、厳しい熱環境下でも安定した電気的特性及び機械的特性を発揮できることが示唆された。
【００２１】
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。また、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】
【００２２】
１：半導体装置
２：半導体基板
３：コンタクト層
４：バリアメタル層
５：接合層
６：積層電極
【図１】
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【図２】
2017117953.tif 000005