(57)【要約】  アルミニウム電極層（２）は、素子基板（１）上に設けられており、アルミニウムを主成分とする材料からなる。銅電極層（５）は、アルミニウム電極層（２）上に設けられており、銅を主成分とする材料からなる。テーパ領域（３）は、アルミニウム電極層（２）と銅電極層（５）との間に設けられており、銅を含有する材料からなり、銅電極層（５）からアルミニウム電極層（２）へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有している。
2020144790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子基板（１）と、
前記素子基板（１）上に設けられ、アルミニウムを主成分とする材料からなるアルミニウム電極層（２）と、
前記アルミニウム電極層（２）上に設けられ、銅を主成分とする材料からなる銅電極層（５）と、
前記アルミニウム電極層（２）と前記銅電極層（５）との間に設けられ、銅を含有する材料からなり、前記銅電極層（５）から前記アルミニウム電極層（２）へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有する少なくとも１つのテーパ領域（３）と、
を備える、電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は、少なくとも前記アルミニウム電極層（２）に接する部分において、前記銅電極層（５）に比して高いアルミニウム含有比と、前記銅電極層（５）に比して低い銅含有比とを有する、請求項１に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項３】
前記素子基板（１）は、素子構造が設けられることによって少なくとも１つの凹部（３４）を有しており、前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記少なくとも１つの凹部（３４）の上方に配置されている、請求項１または２に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）の深さは０．１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項５】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記銅電極層（５）の下面上で０．１μｍ以上１．０μｍ以下の幅を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記銅電極層（５）の下面上で円形形状を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０３，１０４）。
【請求項７】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記銅電極層（５）上でスリット形状を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０５）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は、周期的に配置された複数のテーパ領域（３）である、請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０４，１０５）。
【請求項９】
前記複数のテーパ領域（３）は、前記銅電極層（５）上で共通の形状および大きさを有する、請求項８に記載の電力用半導体装置（１０４，１０５）。
【請求項１０】
前記アルミニウム電極層（２）の一部の上に設けられ、前記銅電極層（５）に接する樹脂膜（４）をさらに備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１１】
前記アルミニウム電極層（２）は０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１２】
前記アルミニウム電極層（２）と前記銅電極層（５）との界面は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の凹凸を有している、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１３】
前記銅電極層（５）のうち少なくとも前記アルミニウム電極層（２）上の部分は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１４】
前記銅電極層（５）は１μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１５】
前記銅電極層（５）は、前記アルミニウム電極層（２）に接する第１の層（５ａ）と、前記第１の層（５ａ）上に配置された第２の層（５ｂ）とを有し、前記第２の層（５ｂ）の平均粒径は前記第１の層（５ａ）の平均粒径よりも小さい、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０２）。
【請求項１６】
前記素子基板（１）のうち半導体からなる部分は、１００μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１７】
前記素子基板（１）は炭化珪素基板を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１８】
絶縁板（２１０）と、前記絶縁板（２１０）上の導体板（２１２）とを有する絶縁基板（２００）と、
前記導体板（２１２）を前記素子基板（１）へ接合する第１の焼結金属層（１０）と、
リード電極（１４）と、
前記リード電極（１４）を前記銅電極層（５）へ接合する第２の焼結金属層（１３）と、
をさらに備える、請求項１から１７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（５０１）。
【請求項１９】
絶縁板（２１０）と、前記絶縁板（２１０）上の導体板（２１２）とを有する絶縁基板（２００）と、
前記導体板（２１２）を前記素子基板（１）へ接合する焼結金属層（１０）と、
前記銅電極層（５）上に接合されたボンディングワイヤ（１５）と、
をさらに備える、請求項１から１８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（５０２）。
【請求項２０】
前記テーパ領域（３）はめっき膜からなる、請求項１から１９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２０１６／１４３５５７号（特許文献１）によれば、表面電極が設けられた電力用半導体装置が開示されている。表面電極は、Ａｌ層と、その上のＣｕ層とを有している。Ｃｕ層には、Ｃｕを主成分とするワイヤがボンディングされている。電力用半導体装置としては、Ｓｉ（シリコン）製のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、およびＭＯＳＦＥＴ（金属・酸化物・半導体・電界効果トランジスタ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが例示されている。またＳｉに代わって、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）およびダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用い得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１４３５５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ワイドバンドギャップ半導体は高耐熱性を有しているので、それを用いて電力用半導体装置を高温、例えば２００℃以上、で動作させることが期待される。電力用半導体装置を高温で動作させるためには、半導体領域が高耐熱性を有するだけでなく、装置全体として高耐熱性を有する必要がある。上記半導体装置を高温で動作させると、Ａｌ層（アルミニウム電極層）とＣｕ層（銅電極層）との間での線膨張係数の違いに起因して応力が発生する。Ｃｕに比してＡｌは低い融点を有しており、Ａｌの再結晶温度は２００℃未満である。よって、軟化したアルミニウム電極層に上記応力が加わることによって、アルミニウム電極層のほぼ全体に変形が生じることがある。この現象はＡｌスライドとも称される。なおＡｌスライドは、ＬＳＩ（大規模集積回路：Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）のように集積度が高く微細な配線を有する半導体装置においてはほとんど問題とならず、比較的大きな電流を流すことができる電極構造を要する装置である電力用半導体装置に特有の問題である。【０００５】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、応力に起因してのアルミニウム電極層の変形を抑制することができる電力用半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力用半導体装置は、素子基板と、アルミニウム電極層と、銅電極層と、少なくとも１つのテーパ領域とを有している。アルミニウム電極層は、素子基板上に設けられており、アルミニウムを主成分とする材料からなる。銅電極層は、アルミニウム電極層上に設けられており、銅を主成分とする材料からなる。テーパ領域は、アルミニウム電極層と銅電極層との間に設けられており、銅を含有する材料からなり、銅電極層からアルミニウム電極層へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、銅を含有する材料からなり、銅電極層からアルミニウム電極層へ向かうテーパ形状を有するテーパ領域が設けられる。これにより、熱応力に起因してのアルミニウム電極層の変形が抑制される。よって、高温で動作される電力用半導体装置の信頼性を高めることができる。【０００８】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の一部拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第１の工程を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第２の工程を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の製造方法の第３の工程を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。
【図８】図７の第１の変形例を示す図である。
【図９】図７の第２の変形例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態４における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図１１】図１０の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態５における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図１３】図１２の第１の変形例を示す図である。
【図１４】図１２の第２の変形例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態６における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態７における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１１】
＜実施の形態１＞
（構成）
図１は、本実施の形態１におけるパワー半導体チップ１０１（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体チップ１０１は、素子基板１と、アルミニウム電極層２と、銅電極層５と、少なくとも１つのテーパ領域３（本実施の形態においては複数のテーパ領域３）とを有している。素子基板１には素子構造が設けられている。素子構造は、詳しくは後述するが、例えば、ＭＯＳ（金属・酸化物・半導体：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を含む。素子基板１は、１００μｍ以上３５０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。素子基板１のうち半導体からなる部分は、１００μｍ以下の厚みを有することが好ましい。パワー半導体チップ１０１はさらに、樹脂膜４を有していることが好ましい。
【００１２】
アルミニウム電極層２は、素子基板１上に設けられており、素子基板１と電気的に接続されている。アルミニウム電極層２は、Ａｌ（アルミニウム）を主成分とする材料からなる。Ａｌを主成分とする材料とは、具体的には、原子比でＡｌを９０％以上含有する材料のことであり、原子比で他の元素を１０％以下含有してもよい。アルミニウム電極層２は、合金からなっていてよく、例えば、Ａｌ−Ｓｉ合金またはＡｌ−Ｃｕ合金からなる。アルミニウム電極層２は、０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有することが好ましく、１μｍ以上５μｍ以下の厚みを有することがより好ましい。
【００１３】
樹脂膜４は、アルミニウム電極層２の一部の上に設けられており、アルミニウム電極層２上に開口部を有している。樹脂膜４は、例えば、ポリイミドなどのエポキシ樹脂、またはアクリル樹脂からなる。樹脂膜４は、３μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有することが好ましく、５μｍ以上５０μｍ以下の厚みを有することがより好ましい。
【００１４】
銅電極層５はアルミニウム電極層２上に設けられている。銅電極層５は樹脂膜４に接している。銅電極層５の少なくとも一部は、樹脂膜４の開口部の中に配置されており、図１においては、銅電極層５の全体が樹脂膜４の開口部の中に配置されている。これにより銅電極層５が露出面を有しており、この露出面に、パワー半導体チップ１０１への電圧印加等を目的としたリード電極（後述する図１５におけるリード電極１４参照）などの電極が接続されることになる。なお、変形例として、銅電極層５の上面の一部が樹脂膜４に被覆されていてもよい。
【００１５】
銅電極層５は、Ｃｕ（銅）を主成分とする材料からなる。Ｃｕを主成分とする材料とは、具体的には、原子比でＣｕを９０％以上含有する材料のことであり、原子比で他の元素を１０％以下含有してもよい。銅電極層５は、純銅からなっていてもよく、あるいは、Ｃｕ合金からなっていてもよい。Ｃｕ合金は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を含有していてよい。銅電極層５は、１μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有することが好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有することがより好しい。
【００１６】
なお、アルミニウム電極層２および銅電極層５の各々の成分（元素の含有比）は、これらの界面での相互拡散がおおよそ無視できる位置での値によって評価されるものとする。言い換えれば、微視的に見た場合に、アルミニウム電極層２と銅電極層５との間に、両者の中間的な組成を有する界面層（図示せず）が存在してよい。
【００１７】
アルミニウム電極層２と銅電極層５との界面は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の凹凸を有していることが好ましい。このような界面は、例えば、銅電極層５のうち少なくともアルミニウム電極層２上（図中、アルミニウム電極層２の上面上）の部分が、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有することによって容易に得られる。なお、銅電極層５の結晶粒の大きさは、例えば、銅電極層５の顕微鏡写真上の直線上に含まれる結晶の数を、この直線の長さで割ることによって計測される。
【００１８】
テーパ領域３は、アルミニウム電極層２と銅電極層５との間に設けられており、銅電極層５からアルミニウム電極層２へ向かっての厚み方向（深さ方向）においてテーパ形状を有している。図中の断面において、テーパ領域３の幅は、銅電極層５からアルミニウム電極層２へ向かっての厚み方向において、徐々に小さくなっている。テーパ領域３の形状は、銅電極層５からアルミニウム電極層２へ向かっての厚み方向において、厚み方向に垂直な断面積が小さくなるような杭状であってよい。テーパ領域３は、アルミニウム電極層２の上面部に埋め込まれている。本実施の形態においては、テーパ領域３と素子基板１との間はアルミニウム電極層２によって隔てられている。テーパ領域３は、Ｃｕを含有する材料からなる。テーパ領域３は、少なくともアルミニウム電極層２に接する部分において、銅電極層５に比して高いＡｌ含有比（原子比）と、銅電極層５に比して低いＣｕ含有比とを有している。なお本明細書において、含有比は、原子比によるものである。テーパ領域３は、少なくともアルミニウム電極層２に接する部分において、ＣｕおよびＡｌを含有する合金からなる。なおテーパ領域３の一部は合金でなくてもよく、例えば、アルミニウム電極層２から離れた、テーパ領域３の中心あたりは、純銅からなっていてもよい。テーパ領域３は、例えば、めっき膜である。
【００１９】
テーパ領域３の深さ（厚み）は、０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、本実施の形態においては０．１μｍ以上５μｍ以下であってよい。テーパ領域３は、銅電極層５上（図中、銅電極層５の下面上）で、０．１μｍ以上１．０μｍ以下の幅（図中、横方向の寸法）を有することが好ましい。
【００２０】
図２は、図１の一部拡大図である。素子基板１は、本実施の形態においては、単結晶基板２２と、ドリフト層２３と、ウェル領域２４と、ソース領域２５と、コンタクト領域２６と、ゲート絶縁膜３２と、ゲート電極２７と、層間絶縁膜２８と、シリサイド膜３０と、下地層２９と、ドレイン電極２１と、を有している。
【００２１】
単結晶基板２２は、ワイドバンドギャップ半導体からなることが好ましく、例えばＳｉＣ（炭化珪素）基板である。またドリフト層２３も、ワイドバンドギャップ半導体からなることが好ましく、例えばＳｉＣ層である。ワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉ（シリコン）に比べて、より大きなバンドギャップを有している。これにより、より大きな絶縁破壊電界強度が得られる。また、パワー半導体チップ１０１に流れる電流密度を、より大きくすることができる。その場合、銅電極層５に流れる電流容量も大きくなるので、銅電極層５の最大許容電流密度および放熱性の観点などから、銅電極層５の厚みは５μｍ以上が望ましい。
【００２２】
素子基板１は、上記構成を有することによって、図中における上面上に、ＭＯＳ構造を含む素子構造を有している。このＭＯＳ構造は、層間絶縁膜２８によって被覆されたゲート電極２７を有しており、この部分は、素子基板１の上面上における突出部である。この突出部から外れて、層間絶縁膜２８およびゲート絶縁膜３２を貫通するソースコンタクトホール３３が設けられている。ソースコンタクトホール３３が設けられることによって、素子基板１の上面上に凹部３４が設けられている。以上のように、素子基板１は、ＭＯＳ構造が設けられることによって、素子基板１の上面上に、少なくとも１つの凹部３４（本実施の形態においては複数の凹部３４）を有している。
【００２３】
テーパ領域３は凹部３４の上方に配置されている。具体的には、テーパ領域３の平面位置と、凹部３４の平面位置とが、おおよそ一致している。ここで平面位置とは、パワー半導体チップ１０１の厚み方向に垂直な平面上での位置のことである。言い換えれば、平面レイアウトにおいて、テーパ領域３と、凹部３４とが、おおよそ重なっている。
【００２４】
下地層２９は、例えばＴｉ層である。なお下地層２９は、Ｔｉ層と、バリアメタル層との積層膜であってもよい。バリアメタル層は、例えば、ＴｉＮ、Ｔａ、Ｗ、ＷＮ、またはＴｉＷからなる。ドレイン電極２１は単結晶基板２２の裏面に設けられている。
【００２５】
なお、図２に示されたパワー半導体チップ１０１はＭＯＳＦＥＴであるが、電力用半導体装置はＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、例えばＩＧＢＴであってもよい。また、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴの素子構造はＭＯＳ構造を含むが、素子構造は必ずしもＭＯＳ構造を含む必要はなく、代わりに他の素子構造（例えば、ダイオード構造）を含むものであってもよい。このように他の構造を有することによって、電力用半導体装置は、ショットキーバリアダイオード、ＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはｐｎダイオードなどであってもよい。
【００２６】
（製造方法の例）
図３〜図５は、パワー半導体チップ１０１の製造方法の一例における第１〜第３の工程を概略的に示す断面図である。
【００２７】
図３を参照して、単結晶基板２２としてＳｉＣ基板が準備される。このＳｉＣ基板は、例えば、厚み５０μｍ〜５００μｍを有し、ｎ型不純物を１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲で含む。単結晶基板２２一方の主面（図中、上面）上におけるエピタキシャル成長によって、エピタキシャル層が形成される。言い換えれば、ｎ型のドリフト層２３が形成される。例えば、厚み１μｍ〜６０μｍを有し、ｎ型不純物を１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３の範囲で含むＳｉＣ層が、ＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成される。なお、ドリフト層２３の必要な厚みは、パワー半導体チップ１０１に必要な耐圧（使用電圧）によって決まる。
【００２８】
ドリフト層２３上に、後にウェル領域２４となる領域を露出する開口部を有するレジストマスクが、写真製版（フォトリソグラフィー）技術を用いて形成される。このレジストマスクは、不純物注入阻止マスクとして使用される。当該レジストマスクの上方から、ｐ型不純物のイオン注入が行われる。これにより、ドリフト層２３の上層部にウェル領域２４が選択的に形成される。ウェル領域２４の厚みは、例えば０．５μｍ〜２．０μｍである。ｐ型不純物は、例えばＡｌである。ウェル領域２４の不純物濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３の範囲に設定される。その後、レジストマスクが除去される。
【００２９】
次に、後にソース領域２５となる領域を露出する開口部を有する新たなレジストマスクが、写真製版技術を用いて形成される。このレジストマスクも不純物注入阻止マスクとして使用される。当該レジストマスクの上方から、ｎ型不純物のイオン注入が行われる。これにより、ウェル領域２４の上層部にソース領域２５が形成される。ソース領域２５の厚みは、例えば０．５μｍ〜２．０μｍである。ｎ型不純物は、例えばＮ（窒素）である。ソース領域２５の不純物濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲に設定される。その後、レジストマスクが除去される。
【００３０】
次に、後にコンタクト領域となる領域を露出する開口部を有する新たなレジストマスクが、写真製版技術を用いて形成される。このレジストマスクも不純物注入阻止マスクとして使用される。当該レジストマスクの上方からｐ型不純物のイオン注入が行われる。これにより、ソース領域２５の中央部にコンタクト領域２６が形成される。コンタクト領域２６の厚みは、例えば０．２μｍ〜０．５μｍである。ｐ型不純物は、例えばＡｌである。コンタクト領域２６の不純物濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内に設定される。その後、レジストマスクが除去される。
【００３１】
次に、注入されたｎ型およびｐ型不純物を活性化するために、１５００℃以上での高温アニール処理が施される。なお、上述したイオン注入工程の順番は、任意に入れ替えられてよい。
【００３２】
次に、例えばＣＶＤ法により、ドリフト層２３上に酸化膜（ＳｉＯ２）が形成される。酸化膜の厚みは０．５μｍ〜２μｍに設定される。その後、写真製版技術を用いて、セル配置領域を露出する開口部を有するエッチングマスクが形成される。当該エッチングマスクを用いて、セル配置領域の酸化膜がエッチングにより除去される。その後、エピタキシャル層（単結晶基板２２上の半導体層）の表面のうち開口部によって露出された部分が、酸素または水蒸気を含む１０００℃程度の雰囲気に曝される。これにより生じる熱酸化によって、熱酸化膜（ＳｉＯ２）からなるゲート絶縁膜３２が形成される。
【００３３】
なお、上記では、ゲート絶縁膜３２が熱酸化膜であるものとして説明したが、ゲート絶縁膜３２は、ＣＶＤ法で形成された酸化膜でもよいし、熱酸化膜と、ＣＶＤ法で形成した酸化膜との積層膜であってもよい。また、ゲート絶縁膜３２の表面が窒化されてもよい。この窒化は、ゲート絶縁膜３２の堆積後、１０００℃以上の高温での、一酸化窒素（ＮＯ）または二酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガス中でのアニールにより行うことができる。
【００３４】
次に、ＣＶＤ法により、ゲート絶縁膜３２上に、ゲート電極２７として、Ｐ（リン）を１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲で含む多結晶シリコン膜が形成される。ゲート電極２７の厚みは、例えば３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に設定される。なお、ゲート電極２７は、Ｂ（硼素）を含んだｐ型の多結晶シリコンで形成されてもよい。
【００３５】
次に、写真製版技術を用いて、ソース領域２５の上方およびコンタクト領域２６の上方に開口部を有するエッチングマスクが形成される。当該エッチングマスクを用いたエッチングによって、ゲート電極２７のうち開口部において露出された部分が除去される。
【００３６】
次に層間絶縁膜２８が形成される。まず、上述した構成が設けられた単結晶基板２２の全面に、例えばＣＶＤ法により、厚み０．５〜５μｍのシリコン酸化膜が形成される、続いて、写真製版技術を用いて、コンタクト領域２６の上方、およびその周囲のソース領域２５の上方の層間絶縁膜２８を露出する開口部を有するエッチングマスクが形成される。当該エッチングマスクを用いたエッチングによって、層間絶縁膜２８およびその下のゲート絶縁膜３２のうち開口部において露出された部分が除去される。これにより、ソース領域２５の一部およびコンタクト領域２６を露出するソースコンタクトホール３３が形成される。その後、エッチングマスクが除去される。
【００３７】
次に、上述した構成が設けられた単結晶基板２２の全面に、例えばスパッタ法により、厚み５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度のＮｉ膜が形成される。次に、アニール処理が施される。これにより、ソースコンタクトホール３３の底面で露出したソース領域２５およびコンタクト領域２６と、Ｎｉ膜との間で、シリサイド化反応が生じる。その結果、ソースコンタクトホール３３においてソース領域２５およびコンタクト領域２６上に金属シリサイド膜（ここではＮｉＳｉ２膜）が形成される。次に、例えば硫酸または塩酸を含む酸溶液で単結晶基板２２（ここではＳｉＣ基板）を洗浄することにより、シリサイド化反応におけるＮｉ膜の未反応部分が除去される。これにより、図３に示されたシリサイド膜３０が形成される。
【００３８】
その後、単結晶基板２２の裏面にドレイン電極２１が形成される。具体的には、まず、単結晶基板２２の裏面上に、スパッタ法により、厚み１００ｎｍ〜５００ｎｍのＮｉ膜が形成される。次に、このＮｉ膜が、アニールによってシリサイド化される。
【００３９】
次に、ソースコンタクトホール３３の底面および層間絶縁膜２８の上に、下地層２９としてのＴｉ層が、例えばスパッタ法により形成される。Ｔｉ層はソースコンタクトホール３３の底面上でシリサイド膜３０に接する。Ｔｉ層の膜厚は、例えば３０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００４０】
図４を参照して、素子基板１の下地層２９上にアルミニウム電極層２が、例えばスパッタ法により形成される。続いて、写真製版技術およびエッチング処理により、アルミニウム電極層２にパターン（図示せず）が付与される。
【００４１】
次に、上述した構成が設けられた単結晶基板２２上に樹脂膜４（図１参照）が形成される。そして、写真製版技術およびエッチング処理により、樹脂膜４がパターニングされる。
【００４２】
その後、スパッタ法等により、ドレイン電極２１の表面上に表面金属層が形成されてよい。例えば、膜厚１５０ｎｍの金（Ａｕ）膜、または、膜厚５００ｎｍのＮｉ膜と膜厚１５０ｎｍのＡｕ膜との積層膜が形成される。
【００４３】
以上により、図４に示されているように、ＭＯＳ構造の存在（より具体的には、ソースコンタクトホール３３の存在）に起因しての凹部３４が設けられた上面を有する素子基板１と、この上面上に配置されたアルミニウム電極層２との積層構造が得られる。凹部３４に起因して、アルミニウム電極層２の表面に凹み３１Ａが形成される。その後、樹脂膜４（図１参照）の開口部において、アルミニウム電極層２の表面に対してウェットエッチング処理が行われる。
【００４４】
さらに図５を参照して、上記ウェットエッチングの際、凹み３１Ａ（図４）を起点としてのエッチングによってテーパ状凹み３１Ｂ（図５）が形成される。このウェットエッチングにおいて、凹み３１Ａのより深い位置に比して凹み３１Ａのより浅い位置の方が、エッチング液が侵入しやすい。よって、凹み３１Ａのより深い位置に比して凹み３１Ａのより浅い位置の方が、横方向のエッチングがより進行する。横方向におけるエッチング速度の相違によって、テーパ状凹み３１Ｂは、深さ方向（図５における下方向）へ向かってテーパ形状を有する。言い換えれば、テーパ状凹み３１Ｂは、深さ方向に垂直な断面積が、深い位置ほど小さくなるように形成される。テーパ状凹み３１Ｂの深さは、０．１μｍ〜５．０μｍ程度である。
【００４５】
さらに図２を参照して、アルミニウム電極層２の、テーパ状凹み３１Ｂ（図５）を有する上面上へ、銅電極層５の材料が堆積される。この成膜によって、テーパ状凹み３１Ｂの外部においては、アルミニウム電極層２上に銅電極層５が形成される。同時に、上記材料がテーパ状凹み３１Ｂ（図５）を埋めることよって、テーパ領域３（図２）が形成される。この成膜時に、テーパ状凹み３１Ｂ内に埋め込まれた材料と、アルミニウム電極層２との間で、元素の相互拡散が生じる。その結果、テーパ領域３は、少なくともアルミニウム電極層２に接する部分において、銅電極層５に比して高いＡｌ含有比（原子比）と、銅電極層５に比して低いＣｕ含有比とを有する。またテーパ領域３は、少なくともアルミニウム電極層２に接する部分において、ＣｕおよびＡｌを含有する合金からなる。
【００４６】
なお、上記の相互拡散は、テーパ領域３の全体に到達してもよく、あるいはテーパ領域３の一部にのみ到達してもよい。後者の場合、テーパ領域３のうちアルミニウム電極層２から離れた部分は、合金化されなくてもよく、例えば純銅であってもよい。
【００４７】
アルミニウム電極層２の成膜方法は、例えば、ＰＶＤ（物理蒸着：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（特にスパッタ法）、またはめっき法である。例えば、スパッタ法の場合、上述した相互拡散は、スパッタ時のエネルギーによって生じ得る。また、めっき法の場合、上述した相互拡散は、めっき時の置換作用によって生じ得る。めっき法としては、電解めっき法、または無電解めっき法が用いられる。電解めっき法の場合、めっき工程の前に、ＰＶＤ法でシード層を形成する必要がある。無電解めっき法の場合、銅電極層５の結晶粒の大きさは、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の微結晶となる。
【００４８】
以上の工程により、パワー半導体チップ１０１（図１および図２）が完成される。
【００４９】
（効果）
本実施の形態によれば、Ｃｕを含有する材料からなり、銅電極層５からアルミニウム電極層２へ向かうテーパ形状を有するテーパ領域３が設けられる。テーパ領域３と銅電極層５とは、ともにＣｕを含有しており、よって互いに強固に結合されている。よって、テーパ領域３は、銅電極層５にとって、深さ方向においてアルミニウム電極層２中へ埋め込まれたアンカーとして機能する。よってアルミニウム電極層２の横方向（面内方向）の変形が抑制される。さらに、テーパ領域３がテーパ形状を有していることから、テーパ領域３の側壁上において、縦方向（厚み方向）の応力が受け止められる。これにより、縦方向の応力に対する耐性も高められると考えられる。以上から、熱応力に起因してのアルミニウム電極層２の変形、すなわちＡｌスライド現象、が抑制される。よって、高温で動作されるパワー半導体チップ１０１の信頼性を高めることができる。
【００５０】
テーパ領域３は、少なくともアルミニウム電極層２に接する部分において、原子比でのＡｌの含有比が銅電極層５に比して高くかつ、原子比でのＣｕの含有比が銅電極層５に比して低い。これにより、テーパ領域３の当該部分は、アルミニウム電極層２と銅電極層５との間の相互拡散領域として形成され得る。よって、テーパ領域３の当該部分と、アルミニウム電極層２との間の密着性が高められる。よって、Ａｌスライド現象がより確実に抑制される。
【００５１】
素子基板１は、素子構造が設けられることによって凹部３４を有しており、テーパ領域３は凹部３４の上方に配置されている。このような配置の場合、以下に述べる製造方法を用いることができるので、テーパ領域３を容易に形成することができる。まず、図４に示されたように、素子基板１の凹部３４に起因して、アルミニウム電極層２の表面に凹み３１Ａが形成される。凹み３１Ａを起点としてのエッチングによってテーパ形状が形成されることによって、テーパ状凹み３１Ｂ（図５）が形成される。このテーパ状凹み３１Ｂを埋める成膜によって、テーパ領域３（図２）が形成される。
【００５２】
テーパ領域３は、めっき膜からなることが好ましい。これにより、アルミニウム電極層２に形成されたテーパ状凹み３１Ｂ中への成膜によってテーパ領域３が形成される場合に、凹部中への成膜を容易に行うことができる。
【００５３】
銅電極層５のうち少なくともアルミニウム電極層２上の部分は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有していることが好ましい。これにより銅電極層５と他の部材、特に樹脂膜４、との接合強度を高めることができる。
【００５４】
素子基板１のうち半導体からなる部分（すなわち、単結晶基板２２とその上の半導体層との積層体）は、１００μｍ以下の厚みを有することが好ましい。これにより、素子基板１からアルミニウム電極層２に加わる応力が小さくなる。よって、Ａｌスライド現象が、より抑制される。
【００５５】
単結晶基板２２がＳｉＣ基板である場合、言い換えればパワー半導体チップ１０１がＳｉＣ半導体装置である場合、一般的なＳｉ基板を用いた電力用半導体装置に比して、通常、より高温での動作（例えば２００℃以上）が期待される。高温での動作を伴う場合はＡｌスライド現象が生じやすいところ、本実施の形態によれば、それを効果的に抑制することができる。
【００５６】
＜実施の形態２＞
（構成）
図６は、本実施の形態２におけるパワー半導体チップ１０２（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体チップ１０２においては、銅電極層５は、下層５ａ（第１の層）と、上層５ｂ（第２の層）とを有している。下層５ａはアルミニウム電極層２に接している。上層５ｂは下層５ａ上に配置されている。上層５ｂの平均粒径は下層５ａの平均粒径よりも小さい。下層５ａ、言い換えれば、銅電極層５のうちアルミニウム電極層２上の部分、は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有する微結晶からなることが好ましい。上層５ｂは、結晶粒の大きさが０．１μｍ以下の、より小さい結晶からなることが好ましい。上層５ｂの結晶粒の大きさの下限は特に限定されないが、上層５ｂは、非アモルファスの（言い換えれば、結晶性を有する）材料からなる。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００５７】
（製造方法の例）
まず、前述した図５までの工程が、実施の形態１と同様に行われる。次に、アルミニウム電極層２上に銅電極層５の下層５ａが形成される。そして、下層５ａ上に上層５ｂが形成される。下層５ａおよび上層５ｂの各々の成膜は、めっき法またはＰＶＤ法によって行われ得る。なおＰＶＤ法の場合は、写真製版およびエッチングにより、成膜後のパターニングが行われる。
【００５８】
ＰＶＤ法または無電解めっき法においては、成膜温度を高めるほど、より大きな結晶粒が得られる。また電解めっき法においては、電流密度が低いほど、より大きな結晶粒が得られる。よって、下層５ａの成膜条件としては、相対的に、高めの成膜温度、または低めの電流密度が選択される。逆に、上層５ｂの成膜条件としては、ＰＶＤ法または無電解めっき法における低めの成膜温度、または、電解めっき法における高めの電流密度が選択される。
【００５９】
（効果）
本実施の形態によれば、銅電極層５において、上層５ｂの平均粒径は下層５ａの平均粒径よりも小さい。これにより、以下の理由から、より耐熱性に優れたパワー半導体チップ１０２を得ることができる。
【００６０】
具体的には、下層５ａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有することにより、銅電極層５と他の部材、特に樹脂膜４、との密着性を高めることができる。これにより、２００℃程度以上の高温動作時に発生する応力に対してのパワー半導体チップ１０２の耐性が向上する。仮に銅電極層５と樹脂膜４との間の密着性が不足すると、銅電極層５と樹脂膜４との間に空間ができやすくなる。空間ができると、そこを伝って、アルミニウム電極層２と銅電極層５と樹脂膜４との３重点付近に酸化膜が形成される。その酸化膜により、樹脂膜４の端部に応力が発生する。この応力により、樹脂膜４が剥離することがある。
【００６１】
上層５ｂの平均粒径は下層５ａの平均粒径よりも小さい。これにより、アルミニウム電極層２との界面部分をなす下層５ａにおいては、ある程度大きな平均粒径を用いつつ、他の金属部材（例えばリード電極等のモジュール部材（図６において図示せず））が接合されることになる上層５ｂにおいては、金属部材との接合強度が高まるよう、小さな平均粒径を用いることができる。これにより、２００℃程度以上の高温動作時に発生する応力に対してのパワー半導体チップ１０２の耐性が向上する。
【００６２】
＜実施の形態３＞
図７は、本実施の形態３におけるパワー半導体チップ１０３（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す平面図である。なお、図７と、後述する図８および図９とにおいては、説明の便宜上、銅電極層の図示が省略されている。
【００６３】
パワー半導体チップ１０３においては、テーパ領域３は、銅電極層５（図１参照）の下面上で、円形形状を有している。これにより、テーパ領域３の各々は面内方向において異方性を有しない。よって、すべての方位においてアルミニウム電極層２の変位を効果的に抑制することができる。なおテーパ領域３の形状は、実施の形態１で説明した理由から、ソースコンタクトホール３３（図２）の形状（より一般的に言えば凹部３４の形状）によって決定され得る。なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態１または２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００６４】
図８は、本実施の形態の第１の変形例のパワー半導体チップ１０４（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す平面図である。パワー半導体チップ１０４は、周期的に配置された複数のテーパ領域３を有している。これにより、Ａｌスライド現象に対して局所的に弱い箇所が存在しにくくなる。また複数のテーパ領域３は、銅電極層５（図１参照）の下面上で、共通の形状（本変形例においては円形）および大きさ（本変形例においては直径）を有している。これにより、各テーパ領域３によるＡｌスライド現象の抑制効果がほぼ同様となる。よって、Ａｌスライド現象に対して局所的に弱い箇所が存在しにくくなる。
【００６５】
図９は、本実施の形態の第２の変形例のパワー半導体チップ１０５（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す平面図である。パワー半導体チップ１０５においては、テーパ領域３の各々はスリット形状を有している。図中においては、各テーパ領域３が縦方向に延在している。これによりテーパ領域３によるＡｌスライドの抑止効果に異方性が付与される。よって、Ａｌスライドに異方性がある場合において、スリット形状の延在方向を調整することによって、Ａｌスライドへの耐性をより向上させることができる。また複数のテーパ領域３は、銅電極層５の下面上で共通の形状（本変形例においてはスリット形状）および大きさ（本変形例においては延在長さおよび幅）を有している。これにより、各テーパ領域３によるＡｌスライド現象の抑制効果がほぼ同様となる。よって、Ａｌスライド現象に対して局所的に弱い箇所が存在しにくくなる。またパワー半導体チップ１０５は、周期的に配置された複数のテーパ領域３を有している。これにより、Ａｌスライド現象に対して局所的に弱い箇所が存在しにくくなる。
【００６６】
なおスリット形状を有するテーパ領域３は、実施の形態１で説明した理由から、ソースコンタクトホール３３（図２）（より一般的に言えば凹部３４）がスリット形状を有することによって得ることができる。
【００６７】
＜実施の形態４＞
図１０は、本実施の形態４におけるパワー半導体チップ１０６（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体チップ１０６においては、テーパ領域３の各々の大きさ（断面視における幅および深さ）と、テーパ領域３間の距離とがランダムである。この構成を得るためには、ソースコンタクトホール３３（図３）（より一般的に言えば凹部３４）の大きさおよび配列がランダムとされる。これにより、凹み３１Ａ（図４）の大きさおよび配列がランダムとなる。よって、エッチングによって得られるテーパ状凹み３１Ｂ（図５）の大きさ（断面視における幅および深さ）と、テーパ状凹み３１Ｂ間の距離とがランダムとなる。これに対応して、上記のようなテーパ領域３が得られる。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１〜３の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００６８】
図１１は、本実施の形態の変形例のパワー半導体チップ１０７（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワー半導体チップ１０７においては、テーパ領域３の各々の大きさ（断面視における幅および深さ）と、テーパ領域３間の距離とが均一である。
【００６９】
＜実施の形態５＞
図１２は、本実施の形態５におけるパワー半導体チップ１０８（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す平面図である。パワー半導体チップ１０８においては、テーパ領域３は、アルミニウム電極層２を貫通して素子基板１に到達している。テーパ領域３の各々は、素子基板１上において、ある程度の幅を有している。言い換えれば、テーパ領域３は、素子基板１上において、実質的な面積を有している。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１〜４の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００７０】
図１３は、本実施の形態の第１の変形例のパワー半導体チップ１０９（電力用半導体装置）を概略的に示す断面図である。パワー半導体チップ１０９においては、テーパ領域３は、アルミニウム電極層２を貫通して素子基板１にちょうど到達している。テーパ領域３の各々は、素子基板１上において、実質的に幅を有していない。言い換えれば、テーパ領域３は、素子基板１上において、実質的な面積を有していない。
【００７１】
図１４は、本実施の形態の第２の変形例のパワー半導体チップ１１０（電力用半導体装置）を概略的に示す断面図である。パワー半導体チップ１１０においては、銅電極層５の下面上において、隣り合うテーパ領域３が互いに接触している。
【００７２】
＜実施の形態６＞
図１５は、本実施の形態６におけるパワーモジュール５０１（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワーモジュール５０１は、パワー半導体チップ１０２と、絶縁基板２００と、リード電極１４と、焼結金属層１０（第１の焼結金属層）と、焼結金属層１３（第２の焼結金属層）と、焼結金属層１６と、冷却器１７とを有している。
【００７３】
絶縁基板２００は、下面および上面を有する絶縁板２１０と、絶縁板２１０の下面上の導体板２１１と、絶縁板２１０の上面上の導体板２１２とを有している。
【００７４】
絶縁板２１０は絶縁体セラミックスからなる。この絶縁体セラミックスは、熱の良導体であることが好ましく、例えば、窒化珪素、窒化アルミニウムまたはアルミナである。絶縁板２１０が窒化珪素からなる場合、その厚みは、例えば０．１ｍｍ〜１．００ｍｍ程度である。導体板２１１，２１２は、例えば銅板である。
【００７５】
焼結金属層１０は導体板２１２を素子基板１（具体的には、ドレイン電極２１（図２参照））へ接合している。焼結金属層１３は、リード電極１４をパワー半導体チップ１０２の銅電極層５へ接合している。焼結金属層１６は導体板２１１を冷却器１７へ接合している。焼結金属層１０，１３，１６は、熱の良導体からなることが好ましく、例えば、銀ナノ粒子からなる低温焼結材、銀ペースト材、Ｃｕ−ＳｎまたはＡｇ−Ｓｎのような液相拡散接合材、または、半田からなる。
【００７６】
リード電極１４は、電気および熱の良導体からなることが好ましく、例えばＣｕまたはＡｌからなる。冷却器１７は、熱伝導の良好な金属材料からなる部材であることが好ましく、例えばＣｕまたはＡｌからなる。
【００７７】
なお、導体板２１２とパワー半導体チップ１０２との間に、外部端子としてのリード電極（例えば、コレクタ用のリード電極）が設けられてもよい。また、導体板２１１と冷却器１７との間に追加の部材が設けられてもよい。また、図１５においては冷却器１７が絶縁基板２００を介して素子基板１に取り付けられているが、冷却器１７の配置はこれに限定されるものではない。例えば、冷却器１７は、素子基板１を介することなく銅電極層５に取り付けられてもよい。あるいは、絶縁基板２００を介して素子基板１に取り付けられる冷却器と、素子基板１を介することなく銅電極層５に取り付けられる冷却器との両方が設けられてもよい。
【００７８】
焼結金属層１３によって接合されたリード電極１４を用いたパワーモジュールは、大電流での動作が想定されていることが多い。その場合、温度が上昇しやすく、よってＡｌスライド現象が生じやすい。本実施の形態によれば、前述した実施の形態１〜５で説明した理由により、Ａｌスライドを効果的に抑制することができる。なお、パワーモジュールが有するパワー半導体チップは、パワー半導体チップ１０２（図６：実施の形態２）に限定されるものではなく、前述した他の実施の形態によるパワー半導体チップであってもよい。
【００７９】
＜実施の形態７＞
図１６は、本実施の形態７におけるパワーモジュール５０２（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワーモジュール５０１は、リード電極１４（図１５：実施の形態６）に代わって、またはリード電極１４と共に、ボンディングワイヤ１５を有している。ボンディングワイヤ１５は、銅電極層５上に直接に接合されている。ボンディングワイヤ１５は、電気および熱の良導体からなることが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、またはそれらの合金からなる。好ましくは、ボンディングワイヤ１５は、銅を主成分とする材料からなることが好ましい。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態６の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００８０】
なお、上記各実施の形態において例示された各構成要素の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるものであり、本発明はそれらの例示に限定されるものではない。また、各図における各構成要素の寸法は、実際の寸法と異なる場合がある。本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００８１】
１  素子基板、２  アルミニウム電極層、３  テーパ領域、４  樹脂膜、５  銅電極層、５ａ  下層、５ｂ  上層、１０，１３，１６  焼結金属層、１４  リード電極、１５  ボンディングワイヤ、１７  冷却器、２１  ドレイン電極、２２  単結晶基板、２３  ドリフト層、２４  ウェル領域、２５  ソース領域、２６  コンタクト領域、２７  ゲート電極、２８  層間絶縁膜、２９  下地層、３０  シリサイド膜、３２  ゲート絶縁膜、３３  ソースコンタクトホール、３４  凹部、１０１〜１１０  パワー半導体チップ（電力用半導体装置）、２００  絶縁基板、２１０  絶縁板、２１１，２１２  導体板、５０１，５０２  パワーモジュール（電力用半導体装置）。
【図１】
2020144790.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020144790.tif 000012
【図１１】
2020144790.tif 000013
【図１２】
2020144790.tif 000014
【図１３】
2020144790.tif 000015
【図１４】
2020144790.tif 000016
【図１５】
2020144790.tif 000017
【図１６】
2020144790.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月27日(2019.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子基板（１）と、
前記素子基板（１）上に設けられ、アルミニウムを主成分とする材料からなるアルミニウム電極層（２）と、
前記アルミニウム電極層（２）上に設けられ、銅を主成分とする材料からなる銅電極層（５）と、
前記アルミニウム電極層（２）と前記銅電極層（５）との間に設けられ、銅を含有する材料からなり、前記銅電極層（５）から前記アルミニウム電極層（２）へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有する少なくとも１つのテーパ領域（３）と、
を備え、前記少なくとも１つのテーパ領域（３）の全体は、前記銅電極層（５）に比して高いアルミニウム含有比と、前記銅電極層（５）に比して低い銅含有比とを有する、電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項２】
前記素子基板（１）は、素子構造が設けられることによって少なくとも１つの凹部（３４）を有しており、前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記少なくとも１つの凹部（３４）の上方に配置されている、請求項１に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）の深さは０．１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１または２に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記銅電極層（５）の下面上で０．１μｍ以上１．０μｍ以下の幅を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項５】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記銅電極層（５）の下面上で円形形状を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０３，１０４）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は前記銅電極層（５）上でスリット形状を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０５）。
【請求項７】
前記少なくとも１つのテーパ領域（３）は、周期的に配置された複数のテーパ領域（３）である、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０４，１０５）。
【請求項８】
前記複数のテーパ領域（３）は、前記銅電極層（５）上で共通の形状および大きさを有する、請求項７に記載の電力用半導体装置（１０４，１０５）。
【請求項９】
前記アルミニウム電極層（２）の一部の上に設けられ、前記銅電極層（５）に接する樹脂膜（４）をさらに備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１０】
前記アルミニウム電極層（２）は０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１１】
前記アルミニウム電極層（２）と前記銅電極層（５）との界面は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の凹凸を有している、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１２】
前記銅電極層（５）のうち少なくとも前記アルミニウム電極層（２）上の部分は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１３】
前記銅電極層（５）は１μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１４】
前記銅電極層（５）は、前記アルミニウム電極層（２）に接する第１の層（５ａ）と、前記第１の層（５ａ）上に配置された第２の層（５ｂ）とを有し、前記第２の層（５ｂ）の平均粒径は前記第１の層（５ａ）の平均粒径よりも小さい、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０２）。
【請求項１５】
前記素子基板（１）のうち半導体からなる部分は、１００μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１６】
前記素子基板（１）は炭化珪素基板を含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項１７】
絶縁板（２１０）と、前記絶縁板（２１０）上の導体板（２１２）とを有する絶縁基板（２００）と、
前記導体板（２１２）を前記素子基板（１）へ接合する第１の焼結金属層（１０）と、
リード電極（１４）と、
前記リード電極（１４）を前記銅電極層（５）へ接合する第２の焼結金属層（１３）と、
をさらに備える、請求項１から１６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（５０１）。
【請求項１８】
絶縁板（２１０）と、前記絶縁板（２１０）上の導体板（２１２）とを有する絶縁基板（２００）と、
前記導体板（２１２）を前記素子基板（１）へ接合する焼結金属層（１０）と、
前記銅電極層（５）上に接合されたボンディングワイヤ（１５）と、
をさらに備える、請求項１から１７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（５０２）。
【請求項１９】
前記テーパ領域（３）はめっき膜からなる、請求項１から１８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）。
【請求項２０】
素子基板（１）上に、アルミニウムを主成分とする材料からなり、第１の凹み（３１Ａ）が設けられた表面を有するアルミニウム電極層（２）を形成する工程と、
前記アルミニウム電極層（２）の前記第１の凹み（３１Ａ）を起点としてのエッチングによって、前記アルミニウム電極層（２）の前記表面にテーパ状の第２の凹み（３１Ｂ）を形成する工程と、
前記アルミニウム電極層（２）上に、銅を主成分とする材料からなる銅電極層（５）を形成する工程と、
を備える、電力用半導体装置（１０１〜１１０，５０１，５０２）の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法に関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、応力に起因してのアルミニウム電極層の変形を抑制することができる電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を提供することである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の電力用半導体装置は、素子基板と、アルミニウム電極層と、銅電極層と、少なくとも１つのテーパ領域とを有している。アルミニウム電極層は、素子基板上に設けられており、アルミニウムを主成分とする材料からなる。銅電極層は、アルミニウム電極層上に設けられており、銅を主成分とする材料からなる。テーパ領域は、アルミニウム電極層と銅電極層との間に設けられており、銅を含有する材料からなり、銅電極層からアルミニウム電極層へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有している。少なくとも１つのテーパ領域の全体は、銅電極層に比して高いアルミニウム含有比と、銅電極層に比して低い銅含有比とを有している。
本発明の電力用半導体装置の製造方法は、素子基板上に、アルミニウムを主成分とする材料からなり、第１の凹みが設けられた表面を有するアルミニウム電極層を形成する工程と、アルミニウム電極層の第１の凹みを起点としてのエッチングによって、アルミニウム電極層の表面にテーパ状の第２の凹みを形成する工程と、アルミニウム電極層上に、銅を主成分とする材料からなる銅電極層を形成する工程と、を有している。
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月18日(2019.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子構造が設けられることによって複数の凹部を有する素子基板と、
前記素子基板上に設けられ、アルミニウムを主成分とする材料からなるアルミニウム電極層と、
前記アルミニウム電極層上に設けられ、銅を主成分とする材料からなる銅電極層と、
前記アルミニウム電極層と前記銅電極層との間の前記複数の凹部の上方に配置され、平面視において第１方向および前記第１方向に直交する第２方向の各々において周期的に配置され、銅を含有する材料からなり、前記銅電極層から前記アルミニウム電極層へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有する複数のテーパ領域と、
を備え、前記複数のテーパ領域の全体が、前記銅電極層と前記アルミニウム電極層との相互拡散領域である、電力用半導体装置。
【請求項２】
前記複数のテーパ領域の深さは０．１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記複数のテーパ領域は前記銅電極層の下面上で０．１μｍ以上１．０μｍ以下の幅を有する、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記複数のテーパ領域は前記銅電極層の下面上で円形形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記複数のテーパ領域は前記銅電極層上でスリット形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記複数のテーパ領域は、前記銅電極層上で共通の形状および大きさを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記アルミニウム電極層の一部の上に設けられ、前記銅電極層に接する樹脂膜をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記アルミニウム電極層は０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
前記アルミニウム電極層と前記銅電極層との界面は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の凹凸を有している、請求項１から８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
前記銅電極層のうち少なくとも前記アルミニウム電極層上の部分は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の平均結晶粒を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
前記銅電極層は１μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
前記銅電極層は、前記アルミニウム電極層に接する第１の層と、前記第１の層上に配置された第２の層とを有し、前記第２の層の平均粒径は前記第１の層の平均粒径よりも小さい、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１３】
前記素子基板のうち半導体からなる部分は、１００μｍ以下の厚みを有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１４】
前記素子基板は炭化珪素基板を含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
絶縁板と、前記絶縁板上の導体板とを有する絶縁基板と、
前記導体板を前記素子基板へ接合する第１の焼結金属層と、
リード電極と、
前記リード電極を前記銅電極層へ接合する第２の焼結金属層と、
をさらに備える、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１６】
絶縁板と、前記絶縁板上の導体板とを有する絶縁基板と、
前記導体板を前記素子基板へ接合する焼結金属層と、
前記銅電極層上に接合されたボンディングワイヤと、
をさらに備える、請求項１から１５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項１７】
前記テーパ領域はめっき膜からなる、請求項１から１６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、応力に起因してのアルミニウム電極層の変形を抑制することができる電力用半導体装置を提供することである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の電力用半導体装置は、素子基板と、アルミニウム電極層と、銅電極層と、複数のテーパ領域とを有している。素子基板は、素子構造が設けられることによって複数の凹部を有している。アルミニウム電極層は、素子基板上に設けられており、アルミニウムを主成分とする材料からなる。銅電極層は、アルミニウム電極層上に設けられており、銅を主成分とする材料からなる。テーパ領域は、アルミニウム電極層と銅電極層との間の複数の凹部の上方に配置されており、平面視において第１方向および前記第１方向に直交する第２方向の各々において周期的に配置されており、銅を含有する材料からなり、銅電極層からアルミニウム電極層へ向かっての厚み方向においてテーパ形状を有している。複数のテーパ領域の全体が、銅電極層とアルミニウム電極層との相互拡散領域である。
【国際調査報告】
2020144790.tif 000019
2020144790.tif 000020
2020144790.tif 000021
2020144790.tif 000022