ЭЛЕКТРОДНАЯ СТРУКТУРА ТЫЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПОДЛОЖКИ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И РАСПЫЛЯЕМАЯ МИШЕНЬ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПОЛУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОДНОЙ СТРУКТУРЫ
ELECTRODE STRUCTURE OF REAR ELECTRODE OF SEMICONDUCTOR SUBSTRATE, METHOD OF ITS OBTAINING AND SPUTTERED TARGET FOR USE IN PRODUCTION OF ELECTRODE STRUCTURE

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к электродной структуре тыльного электрода, сформированного на тыльной (обратной) поверхности полупроводниковой подложки полупроводникового устройства, такого как силовой модуль. Оно, в частности, относится к тыльному электроду, сформированному на тыльной поверхности полупроводниковой подложки и имеющему многослойную структуру из слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag-го сплава, которая превосходна в свойствах связывания между слоем Ni и слоем Ag-го сплава, а также в устойчивости к отслаиванию.
Предпосылки создания изобретения
[0002] В полупроводниковом устройстве, называемом силовым модулем, таком как MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник) или IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), электрод устанавливается на каждой из передней и тыльной поверхностей полупроводниковой подложки, такой как Si или SiC, тем самым обеспечивая проводимость в вертикальном направлении. В качестве такого тыльного электрода, установленного на тыльной поверхности полупроводниковой подложки, обычно применяется электрод с многослойной структурой, сформированный слоистым изделием из множества металлических слоев.
[0003] Конкретная конфигурация тыльного электрода является следующей. На полупроводниковой подложке формируется слой Ti для обеспечения адгезии к подложке и формирования электрического омического перехода, а на слое Ti формируется слой Ni для обеспечения связывающих свойств между подложкой и припоем при монтаже полупроводниковой подложки. Дополнительно, для улучшения связывающих свойств слоя Ni, с точки зрения предотвращения поверхностного окисления слоя Ni, формируется слой Ag. В качестве примера полупроводникового устройства, применяющего такой тыльный электрод с многослойной структурой из слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag, может быть упомянуто устройство, описанное, например, в патентном документе 1. В данном случае электродная структура тыльного электрода по сути является вышеупомянутой трехслойной структурой. Однако, в некоторых случаях в качестве нижележащего слоя для слоя Ti дополнительно формируется контактный слой, выполненный из металла с низким электронным барьером для Si, формирующего полупроводниковую подложку, такого как Al.
Документы уровня техники
Патентные документы
[0004] Патентный документ 1: JP 2003-347487 A
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
[0005] В силовом модуле и т.п. с установленной в нем полупроводниковой подложкой, оснащенной вышеупомянутым тыльным электродом с многослойной структурой, в то время как размер устройства становится меньше и меньше, выходная мощность увеличивается. При такой тенденции температура смонтированного полупроводникового устройства растет, и его долговечность стала предметом беспокойства. Чтобы справиться с таким ростом температуры в полупроводниковом устройстве, были изучены меры, такие как улучшение свойств рассеяния тепла теплоотвода, смонтированного на подложке, и также ожидается, что будет эффективным улучшение электродной структуры.
[0006] В качестве направления улучшения электродной структуры, в частности, относительно вышеописанного тыльного электрода с многослойной структурой, проблемой было улучшение адгезии между слоем Ni и слоем Ag. Согласно исследованиям, выполненным авторами настоящего изобретения, в ходе использования модуля между слоем Ni и слоем Ag может возникать расслоение, вызывая неисправность. Также в прошлом такая поломка электрода вследствие расслоения была явлением, которое может быть проблемой. Однако, в будущих полупроводниковых устройствах с более высокой выходной мощностью, это явление, как ожидается, станет даже более серьезной проблемой.
[0007] Настоящее изобретение было выполнено относительно вышеупомянутого уровня техники и относится к электродной структуре тыльного электрода полупроводниковой подложки, которая устойчива к вызывающему поломку электрода расслоению, которое возникает вблизи слоя Ni. Дополнительно, также будет раскрыт способ получения такой электродной структуры.
Средство решения проблем
[0008] Настоящее изобретение, которое решает вышеописанные проблемы, является электродной структурой тыльного электрода, сформированного на тыльной поверхности полупроводниковой подложки и имеющего многослойную структуру, включающую металлические слои, наслоенные в следующем порядке от полупроводниковой подложки: слой Ti, слой Ni и слой Ag-го сплава. Слой Ag-го сплава включает в себя сплав Ag и дополнительного металла (элемента) M, выбранного из Sn, Sb и Pd. Электродная структура тыльного электрода выполнена так, что, когда тыльный электрод подвергается элементному анализу с помощью рентгеновского фотоэлектронного спектрометра в направлении глубины от слоя Ag-го сплава к слою Ni, на границе между слоем Ni и слоем Ag-го сплава, наблюдается промежуточная область, где могут быть обнаружены спектры (спектральные характеристики), получаемые от всех металлов, т.е. Ni, Ag и дополнительного элемента M, и дополнительно, когда содержание (ат.%) каждого металла в промежуточной области пересчитывается на основе спектров, получаемых от всех металлов, т.е. Ni, Ag и дополнительного элемента M, максимум содержания дополнительного элемента M составляет 5 ат.% или более.
[0009] Согласно настоящему изобретению, с точки зрения адгезии, сочетание Ni и Ag не является изначально предпочтительным сочетанием металлов. Обычно множество металлов имеют некоторую адгезию при наслоении посредством технологии получения тонких пленок, такой как метод напыления, метод вакуумного осаждения, метод нанесения покрытий или CVD-метод (химическое осаждение из паровой фазы). Однако, это необязательно применяется ко всем сочетаниям, и некоторые сочетания металлов являются плохими в адгезии. Также в сочетании Ni и Ag, непосредственно после получения тыльного электрода вышеуказанным методом, не возникают легко дефекты или расслоение. Однако, поскольку это сочетание не является изначально сочетанием с высокой адгезией, вероятно в высокотемпературной атмосфере должно возникать расслоение.
[0010] В электродной структуре тыльного электрода согласно настоящему изобретению материал металлического слоя, сформированного на слое Ni, изменяется с Ag (чистого Ag) на Ag-ый сплав, содержащий заданный дополнительный элемент M, и также подходящим является состояние границы раздела между слоем Ni и слоем Ag-го сплава. В результате выполнения таких изменений в материале и структуре тыльного электрода получают тыльный электрод с многослойной структурой, устойчивой к расслоению. Далее здесь более подробно будет описан тыльный электрод согласно настоящему изобретению.
[0011] Электродная структура по настоящему изобретению включает в себя множество металлических слоев и применяется в качестве тыльного электрода полупроводниковой подложки. Металлические слои наслаиваются в следующем порядке от полупроводниковой подложки: слой Ti/слой Ni/слой Ag-го сплава. Этот порядок наслоения и техническая значимость слоя Ti и слоя Ni в основном являются такими же, как в предшествующем уровне техники.
[0012] Кроме того, техническая значимость слоя Ag-го сплава также является такой же, как в традиционном тыльном электроде. В настоящем изобретении, с целью намеренного формирования нижеописанной промежуточной области для улучшения адгезии к слою Ni, Ag (чистое Ag) изменяется на Ag-ый сплав. Кроме того, в процессе получения тыльного электрода, слой Ag-го сплава может действовать в качестве источника подачи элемента M в промежуточной области.
[0013] Слой Ag-го сплава выполняется из сплава Ag и дополнительного металла M, выбранного из Ag, Sn, Sb и Pd (сплав Ag-M). Эти три вида металлов применяются, поскольку, согласно конкретным исследованиям, выполненным авторами настоящего изобретения, эти металлы могут быть эффективными в обеспечении адгезии к Ni-слою.
[0014] Дополнительно, в электродной структуре согласно настоящему изобретению на границе между слоем Ag-го сплава и слоем Ni наблюдается промежуточная область, где составляющие элементы этих металлических слоев сосуществуют в конкретных условиях. Промежуточная область является областью, где, когда тыльный электрод подвергается элементному анализу с помощью рентгеновского фотоэлектронного спектрометра (XPS) в направлении глубины от слоя Ag-го сплава к слою Ni, на границе слоя Ni и слоя Ag-го сплава, одновременно детектируются все спектры, производные от Ni, Ag и дополнительного элемента M.
[0015] XPS является анализатором, который измеряет, исходя из энергии фотоэлектронов, высвободившихся при рентгеновском облучении на измеряемом образце, составные элементы образца и его электронное состояние (энергию связи). Дополнительно, XPS является анализатором, способным к превосходным качественному анализу и количественному анализу на месте измерения. Кроме того, в XPS в устройстве поочередно повторяются травление (распыление ионами аргона и т.д.) и измерение на образце, и результирующая спектральная информация анализируется, в результате чего могут быть оценены состав/состояние образца в направлении глубины.
[0016] Также в настоящем изобретении, когда применяется XPS, могут быть измерены спектры, получаемые от всех металлов из Ni, Ag и дополнительного элемента M, и, исходя из них, может быть измерено содержание (ат.%) каждого металла в промежуточной области. В промежуточной области в настоящем изобретении каждый из спектров Ni, Ag и дополнительного элемента M имеет независимое изменение, а дополнительный элемент M показывает изменение в форме симметричной, приблизительно шевронообразной кривой.
[0017] Дополнительно, в тыльном электроде согласно настоящему изобретению необходимо, чтобы пик спектра дополнительного элемента M, который имеет форму симметричной, приблизительно шевронообразной кривой, показывал максимум 5 ат.% или более. Когда максимальное количество дополнительного элемента M в промежуточной области меньше 5 ат.%, даже когда вместо чистого Ag наносится слой Ag-го сплава, адгезия к слою Ni является недостаточной, вызывая возможность расслоения. Дополнительно, когда максимальное количество дополнительного элемента M в промежуточной области увеличивается с 5 ат.% или более, эффект предотвращения расслоения слоя Ag-го сплава увеличивается. Максимальное количество дополнительного элемента M предпочтительно составляет 7 ат.% или более. Кроме того, верхний предел максимального количества дополнительного элемента M в промежуточной области предпочтительно составляет 40 ат.% или менее. Также, когда содержание дополнительного элемента M в промежуточной области является слишком высоким, адгезия к слою Ag-го сплава и слою Ni может уменьшаться. В данном случае толщина промежуточного слоя составляет предпочтительно 40 нм или более и 150 нм или менее, а более предпочтительно 70 нм или более и 150 нм или менее.
[0018] Кроме того, дополнительный элемент M является металлическим элементом, выбранным из Sn, Sb и Pd. Согласно исследованиям, выполненным авторами настоящего изобретения, за счет такого дополнительного элемента демонстрируются эффекты предотвращения отслаивания слоя Ag-го сплава. В случае, когда такой дополнительный элемент присутствует вблизи границы между слоем Ag-го сплава и слоем Ni и формирует промежуточную область вместе с Ag и Ni, обеспечивается адгезия.
[0019] Вышеописанная промежуточная область формируется между слоем Ni и слоем Ag-го сплава тыльного электрода. Здесь слой Ag-го сплава является металлическим слоем, имеющим ту же функцию, что и слой Ag в предшествующем уровне техники, и предотвращает поверхностное окисление слоя Ni. Этот слой Ag-го сплава выполняется из Ag-го сплава, содержащего вышеупомянутый дополнительный элемент M в количестве 1,5 ат.% или более и 4,5 ат.% или менее. Кроме того, толщина слоя Ag-го сплава предпочтительно составляет 50 нм или более и 1000 нм или менее. Когда толщина меньше 50 нм, эффект предотвращения окисления слоя Ni является недостаточным, в то время как толщина более 1000 нм приводит в результате к увеличенному механическому напряжению, возможно формирующему другую причину отслаивания от слоя Ni.
[0020] Слой Ag-го сплава формируется на поверхности слоя Ni. Техническим значением слоя Ni, как и в предшествующем уровне техники, является обеспечение связывающих свойств с припоем при монтаже полупроводниковой подложки. Его толщина предпочтительно составляет 200 нм или более и 7000 нм или менее.
[0021] Дополнительно, слой Ni формируется на поверхности слоя Ti. Технической значимостью слоя Ti является, как в предшествующем уровне техники, улучшение адгезии к подложке и установление электрического омического перехода на полупроводниковой подложке. Толщина слоя Ti предпочтительно составляет 20 нм или более и 1000 нм или менее.
[0022] Тыльный электрод с вышеописанной электродной структурой формируется на тыльной поверхности полупроводниковой подложки. Полупроводниковая подложка выполняется из полупроводника, такого как Si, SiC или GaN. Кроме того, также возможно, чтобы в качестве контактного слоя на полупроводниковой подложке формировался металлический слой, такой как Al, а тыльный электрод по настоящему изобретению (слой Ti/слой Ni/слой Ag-го сплава) формировался на нем.
[0023] Далее будет описан способ получения электродной структуры тыльного электрода по настоящему изобретению. Способ получения тыльного электрода по настоящему изобретению в основном аналогичен традиционному способу получения тыльного электрода. Т.е. в настоящем изобретении на полупроводниковой подложке последовательно формируются слой Ti и слой Ni, и дополнительно формируется слой Ag-го сплава. Однако, настоящий тыльный электрод имеет промежуточную область между слоем Ni и слоем Ag-го сплава, и, таким образом, требуется этап для его формирования. Здесь для процесса формирования промежуточной области целесообразными являются некоторые способы.
[0024] В качестве первого способа может быть предложен способ, в котором сначала получают электрод с трехслойной структурой из слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag-го сплава, а затем из слоя Ag-го сплава на границу раздела со слоем Ni подается дополнительный элемент M, тем самым формируя промежуточную область. Этот способ является полезным в случае, когда дополнительный элемент M представляет собой Sn или Sb. Т.е. способ включает в себя этап формирования слоя Ti на тыльной поверхности полупроводниковой подложки, этап формирования слоя Ni на слое Ti, этап формирования на слое Ni слоя Ag-го сплава, включающего сплав Ag, содержащий Sn или Sb в количестве 2,0 мас.% или более и 9,5 мас.% или менее, и дополнительно, после формирования слоя Ag-го сплава, этап нагрева подложки до 100°C или более и 300°C или менее.
[0025] слой Ti, слой Ni и слой Ag-го сплава могут быть сформированы на подложке с помощью обычной технологии получения тонких пленок, такой как метод напыления, метод вакуумного осаждения, метод нанесения покрытий или CVD-метод. Толщина может регулироваться при известных условиях в каждом процессе. Предпочтительным методом формирования каждого металлического слоя является метод напыления.
[0026] В этом способе получения тыльного электрода, после того как на слое Ni сформирован слой Ag-го сплава, выполняют нагрев до 100°C или более и 300°C или менее, тем самым подавая дополнительный элемент M на границу раздела слоя Ni/слоя Ag-го сплава. Причина того, почему температура термической обработки составляет 100°C или более и 300°C или менее, заключается в том, что, когда температура меньше 100°C, дополнительный элемент M недостаточно подается в промежуточную область, в то время как, когда температура больше 300°C, внутренняя структура пленки изменяется, увеличивая влияние на шероховатость поверхности пленки. В данном случае время обработки при термической обработке предпочтительно составляет 15 минут или более и 120 минут или менее. Атмосфера термической обработки может быть нормальной атмосферой, может быть восстановительной атмосферой или неокисляющей атмосферой или может быть вакуумом.
[0027] Таким образом, способ получения тыльного электрода, включающий формирование слоя Ag-го сплава на слое Ni, является полезным в случае, когда дополнительный элемент M является Sn или Sb. Это обусловлено тем, что Sn или Sb является элементом, который перемещается относительно легко в Ag-ом сплаве и таким образом может быть надлежащим образом подан на границу раздела слоя Ni/слоя Ag-го сплава. В данном случае в этом способе содержание Sn или Sb в подлежащем формированию слое Ag-го сплава составляет 2,0 мас.% или более и 9,5 мас.% или менее с целью создания максимума содержания дополнительного элемента M в промежуточной области (значение, измеренное посредством XPS) 5 ат.% или более.
[0028] Вторым способом получения тыльного электрода является способ, в котором формируется слой Ti/слой Ni, на нем формируется металлический слой из дополнительного элемента M, затем формируется слой Ag, и эти слои термически обрабатываются, образуя промежуточную область при диффузии/высвобождении части дополнительного элемента M из металлического слоя дополнительного элемента M в слой Ag. Этот способ является полезным в случае, когда дополнительным элементом M является Pd. Т.е. способ является способом получения тыльного электрода, включающим: выполнение этапа формирования слоя Ti на тыльной поверхности полупроводниковой подложки и этапа формирования слоя Ni на слое Ti; формирование тонкой Pd-ой пленки на слое Ni, а затем формирование слоя Ag; и последующий нагрев подложки до 100°C или более и 300°C или менее.
[0029] В этом способе получения тыльного электрода, после того как на слое Ni сформированы слой Pd и слой Ag, выполняют нагрев до 100°C или более и 300°C или менее, тем самым формируя промежуточную область. При этой термической обработке Pd диффундирует из слоя Pd в слой Ag, образуя промежуточную область, и одновременно слой Ag становится слоем Ag-го сплава. Причина того, почему температура термической обработки составляет 100°C или более и 300°C или менее, в том, что, когда температура меньше 100°C, дополнительный элемент M недостаточно диффундирует, в то время как, когда температура больше 300°C, внутренняя структура пленки изменяется, увеличивая влияние на шероховатость поверхности пленки. В данном случае время обработки при термической обработке предпочтительно составляет 15 минут или более и 120 минут или менее. Атмосфера термической обработки может быть нормальной атмосферой, может быть восстановительной атмосферой или неокисляющей атмосферой или может быть вакуумом.
[0030] Способы формирования слоя Ti, слоя Ni и слоя Ag являются такими же, что и в вышеуказанном первом способе. Кроме того, слой Pd может также быть сформирован посредством той же технологии получения тонких пленок. В этом способе толщина слоя Pd предпочтительно составляет 5 нм или более и 50 нм или менее.
[0031] В вышеописанных способах получения тыльного электрода, в первом способе, в котором требуется формирование слоя Ag-го сплава, для формирования слоя Ag-го сплава предпочтительно применяется метод напыления. Здесь в качестве распыляемой мишени для формирования слоя Ag-го сплава методом напыления предпочтительно применять распыляемую мишень, включающую Ag-ый сплав, содержащий Sn или Sb в количестве 2,0 мас.% или более и 9,5 мас.% или менее, в котором кристаллические зерна Ag-го сплава имеют средний размер зерна 20 мкм или более и 300 мкм или менее, а относительное стандартное отклонение (вариация) кристаллических зерен составляет 20% или менее относительно среднего размера зерна.
[0032] В этой распыляемой мишени, относительно среднего размера зерна составляющих кристаллических зерен, задается предпочтительный диапазон размеров зерен, и, в дополнение к этому, требуется, чтобы вариация в размере зерна между отдельными кристаллическими зернами являлась небольшой. Причины того, почему задаются эти условия, являются следующими. Средний размер зерна менее 20 мкм вызывает увеличение в стоимости производства и является нереалистичным. Между тем, когда средний размер зерна больше 300 мкм, во время напыления с расходом мишени увеличиваются неровности на распыляемой поверхности, в результате чего имеет тенденцию увеличиваться микродуговой разряд. Кроме того, когда относительное стандартное отклонение (или вариация) больше 20% среднего размера зерна, имеет тенденцию быть неоднородным распределение толщины в плоскости мишени.
[0033] Способ измерения размера кристаллического зерна может быть, например, следующим. Образец в форме прямоугольного параллелепипеда размером около 10 мм извлекают из произвольной части плоскости мишени каждого образца и протравливают, открывая границу кристаллического зерна, и под оптическим микроскопом при увеличении 60 или более и 120 или менее получают фотографию. В качестве увеличения фотографии выбирают увеличение, которое облегчает вычисление числа кристаллических зерен. На каждой фотографии в произвольной позиции в каждом из продольного и поперечного перпендикулярных направлений чертится прямая линия, и подсчитывается число кристаллических зерен, вырезанных с помощью каждой прямой линии. Каждое из продольного и поперечного измерений фотографии делится на число кристаллических зерен, и результат определяется в качестве среднего размера зерна.
Преимущественные эффекты изобретения
[0034] Вышеописанная электродная структура тыльного электрода полупроводниковой подложки по настоящему изобретению имеет многослойную структуру из слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag-го сплава, и на границе раздела между слоем Ni и слоем Ag-го сплава присутствует промежуточная область, наблюдаемая с помощью заданного метода. Согласно настоящему изобретению, в тыльном электроде полупроводниковой подложки менее вероятно возникает отслаивание слоя Ag-го сплава от слоя Ni. В результате становится возможным стабильно приводить в действие устройство, одновременно сохраняя первоначальную функцию каждого металлического слоя.
Краткое описание чертежей
[0035] Фиг. 1 показывает результаты XPS-анализа на тыльном электроде по примеру 1 (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sn) первого варианта осуществления.
Фиг. 2 показывает результаты XPS-анализа на тыльном электроде по примеру 3 (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sb) первого варианта осуществления.
Фиг. 3 показывает результаты XPS-анализа на тыльном электроде по второму варианту осуществления (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Pd).
Описание вариантов осуществления
[0036] Далее здесь на основе последующих примеров будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Первый вариант осуществления:
В этом варианте осуществления получали каждый электрод с многослойной структурой из слоя Ti/слоя Ni/слоя сплава Ag-Sn (примеры 1 и 2) или слоя Ti/слоя Ni/слоя сплава Ag-Sb (пример 3), и изучали конфигурацию. В каждом примере при получении электрода с многослойной структурой в качестве подложки использовали кремниевую подложку (размер: 20 мм × 20 мм, толщина 625 мкм), и каждый металлический слой формировали на подложке методом напыления. Для формирования слоя Ti и слоя Ni использовали имеющиеся в продаже Ti-ую мишень и Ni-ую мишень, имеющие чистоту 99,9%. Толщины слоя Ti и слоя Ni были 100 нм и 300 нм, соответственно.
[0037] Для слоя Ag-го сплава использовали следующие мишени: сплав Ag-7,5 мас.% Sn (пример 1), сплав Ag-9,5 мас.% Sn (пример 2) и сплав Ag-5,0 мас.% Sb (пример 3). Эти мишени имели средние размеры зерна 23,3 мкм (пример 1), 164,6 мкм (пример 2) и 30,5 мкм (пример 3), соответственно. Кроме того, в каждой мишени было подтверждено, что относительное стандартное отклонение кристаллических зерен составляет 20% или менее относительно среднего размера зерна. Затем, с применением такой мишени формировали 200 нм слой Ag-го сплава.
[0038] После формирования слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag-го сплава выполняли термическую обработку, образуя промежуточную область. В качестве условий термической обработки, при температуре 250°C выполняли нагрев в нормальной атмосфере в течение 60 минут. В результате этой термической обработки получали электрод с трехслойной структурой из слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag-го сплава, включающей промежуточную область.
[0039] Дополнительно, полученный электрод с многослойной структурой по каждому примеру подвергали XPS-анализу для изучения конфигурации промежуточной области. XPS-анализ выполняли на электроде по каждому примеру на следующих стадиях: непосредственно после формирования слоя Ag-го сплава, после термической обработки и после PCT-испытания.
[0040] При XPS-анализе в качестве анализатора использовали PHI Quantera SXM (произведенный компанией ULVAC-PHI), и условия анализа были следующими.
- Область измерения: 500 мкм × 500 мкм
- Диаметр пучка: φ 100 мкм
- Режим измерения: выбор "100 мк, 20 Вт, 15 кВ". При "выборе импульсной энергии", выбор "Высокий 4".
- Время измерения: выбранное число орбит каждого обозначенного элемента × четыре цикла
- Обозначение элементов: Ag (3d), Ni (2p), Ti (2p), Si (2p), C (1s), O (1s), Sn (3d5), Sb (3d5)
- Условия напыления: Число циклов: 140
Скорость напыления: 2 кВ, 2 мм × 2 мм
Время напыления: 60 с/цикл
[0041] Аналитические данные, полученные при вышеуказанных условиях, анализировали с помощью программного обеспечения для анализа "Multipak" посредством следующих процедур, подготавливая профиль состава (ат.%).
(1) Для каждого элемента из данных измерений извлекается фон. Одновременно выбранный диапазон энергии [эВ] каждого элемента назначается следующему диапазону.
- Ag (3d): Два пика присутствуют вблизи 368 эВ (i) и вблизи 374 эВ (ii); для них совокупно выполняется обозначение. Обозначенный диапазон находится от позиции пика (i)-2 эВ до позиции пика (ii)+3 эВ.
- Ni (2p): Обозначение выполняется только для пика вблизи 852 эВ. Обозначенный диапазон находится от позиции пика -2,0 эВ до +2,5 эВ.
- Ti (2p): Обозначение выполняется только для пика вблизи 454 эВ. Обозначенный диапазон находится от позиции пика -1,0 эВ до +3,0 эВ.
- Si (2p): Обозначение выполняется только для пика вблизи 99 эВ. Обозначенный диапазон является позицией пика ±1,0 эВ.
- C (1s): Обозначение выполняется только для пика вблизи 285 эВ. Обозначенный диапазон является позицией пика ±0,5 эВ.
- O (1s): Обозначение выполняется только для пика вблизи 530 эВ. Обозначенный диапазон является позицией пика ±0,5 эВ.
- Sn (3d5): Обозначение выполняется вместе для пика вблизи 485 эВ и пика вблизи 487 эВ. Обозначенный диапазон находится от находящейся вблизи 485 эВ позиции пика -2,5 эВ до находящейся вблизи 487 эВ позиции пика +3,0 эВ.
- Sb (3d5): Обозначение выполняется вместе для пика вблизи 528 эВ и пика вблизи 530 эВ. Обозначенный диапазон находится от находящейся вблизи 528 эВ позиции пика -2,5 эВ до находящейся вблизи 530 эВ позиции пика +3,5 эВ.
(2) После обозначения фонового диапазона для каждого элемента, это обозначение отражают в данных измерений, выполняя корректировку.
(3) Из скорректированных данных измерений вычисляют ат.%.
(4) Данные вычислений извлекают, и подготавливают профиль состава согласно глубине напыления.
[0042] В этом варианте осуществления анализу подвергалась центральная часть подложки (20 мм × 20 мм). Рассматривая область измерения во время анализа (500 мкм × 500 мкм) и вышеописанные условия напыления во время анализа (2 кВ, 2 мм × 2 мм), для конкретизации конфигурации тыльного электрода согласно настоящему изобретению предпочтительно анализировать одну точку на область 10 мм × 10 мм. При анализе по этому варианту осуществления метка травления в результате напыления, как ожидается, достигает около 5 мм × 5 мм. Следовательно, может считаться достаточным проанализировать одну точку (центральную часть) на область 10 мм × 10 мм.
[0043] В данном случае, а также в фактических полупроводниковых устройствах, часто применяют подложки, чей размер является таким же или меньше размера подложки, используемой в этом варианте осуществления. Следовательно, в случае, когда условия являются такими же, как указано выше, ожидается, что предпочтительно выполнять анализ по одной произвольной точке подложки для полупроводникового устройства перед обработкой нарезки на кристаллы.
[0044] Профиль, получающийся в результате XPS-анализа на основе вышеописанных условий анализа, (состав (ат.%) относительно цикла напыления (глубины)), показан на фиг. 1 (пример 1) и фиг. 2 (пример 3). Со ссылкой на структуру по примеру 1 (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sn) на фиг. 1 можно увидеть, что после формирования пленки Ag-го сплава, в результате термической обработки на границе между слоем Ni и слоем Ag-го сплава формируется область, содержащая элементы Ni, Ag и Sn, где содержание Sn имеет приблизительно шевронообразный пик. Эта область является промежуточной областью, и пик (максимум) содержания Sn в этом случае составляет 12,7 ат.%. В этом электроде по фиг. 1 формируется и затем термически обрабатывается слой Ag-го сплава из сплава Ag-7,5 мас.% Sn (сплава Ag-6,9 ат.% Sn), образуя промежуточную область. В результате этой термической обработки слой Ag-го сплава становится сплавом Ag-4,0 ат.% Sn, подтверждающим изменения состава.
[0045] Дополнительно, из профиля XPS измеряли толщину промежуточной области по примеру 1. Толщину промежуточной области вычисляли из ширины области, где детектировали все элементы Ni, Ag и дополнительный элемент (число циклов), и глубины травления для каждого цикла, оцененной для каждого металла. В результате толщина промежуточной области по примеру 1 была 80 нм, и было подтверждено, что толщина была в предпочтительном диапазоне (40 нм или более и 150 нм или менее).
[0046] Кроме того, как показано на фиг. 2, в примере 3 (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sb) также наблюдали аналогичные результаты, что и в примере 1. Пик (максимум) содержания дополнительного элемента M (Sb) в промежуточной области в примере 3 составляет 12,4 ат.%. Кроме того, в примере 3 формировали и затем термически обрабатывали слой Ag-го сплава из сплава Ag-5,0 мас.% Sb (сплава Ag-4,5 ат.% Sb), образуя промежуточную область. В результате этой термической обработки состав слоя Ag-го сплава изменился на Ag-2,4 ат.% Sb. Дополнительно, вычисляли толщину промежуточной области по примеру 3. В результате было подтверждено, что толщина была 100 нм, т.е. в предпочтительном диапазоне (40 нм или более и 150 нм или менее).
[0047] В данном случае также в примере 2 (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sn) измеряли состав и толщину промежуточной области. Пик (максимум) содержания дополнительного элемента M (Sn) в промежуточной области по примеру 2 был 21,9 ат.%. Толщина промежуточной области была 80 нм.
[0048] Далее электрод по каждому примеру подвергали PCT-испытанию (климатическому испытанию при повышенных давлении и температуре: испытанию насыщенным сжатым паром), которое является испытанием ускоренным нагревом, и оценивали адгезию слоя Ni/слоя Ag-го сплава. В PCT-испытании подложку со сформированным на ней электродом подвергали воздействию атмосферы при температуре 120°C, относительной влажности (RH) 100% и давлению 2 атм в течение 96 часов. Дополнительно, электроды после подвергания воздействию изучали в отношении наличия отслаивания слоя Ag-го сплава.
[0049] Относительно тыльного электрода по каждому примеру в этом варианте осуществления, максимум содержания дополнительного элемента M (Sn, Sb) в промежуточной области и результаты PCT-испытания (наличие отслаивания) показаны в Таблице 1.
[0050] Таблица 1
Электродная структура
Дополнительный элемент MМаксимум
Толщина промежуточной области
Отслаивание при PCT-испытании
Пример 1
Ti/Ni/Ag-Sn
12,7 ат.%
80 нм
Нет
Пример 2
21,9 ат.%
80 нм
Нет
Пример 3
Ti/N/Ag-Sb
12,4 ат.%
100 нм
Нет
[0051] Как ясно из Таблицы 1, тыльный электрод по каждому примеру имеет промежуточную область, содержащую дополнительный элемент M в количестве не менее 5 ат.%, которое является требуемым количеством. Дополнительно, подтверждалось, что в тыльном электроде по каждому примеру отслаивание слоя Ag-го сплава не происходит даже при PCT-испытании, и адгезия к слою Ni является превосходной.
[0052] Дополнительно, чтобы подтвердить адгезию слоя Ag-го сплава к слою Ni, измеряли устойчивость к отслаиванию слоя Ag-го сплава. Для измерения устойчивости к отслаиванию использовали тестер "SAICAS NN", изготовленный компанией Daipla Wintes Co., Ltd. При этом измерении от поверхностного слоя (слоя Ag-го сплава) тыльного электрода до границы раздела со слоем Ni-го сплава выполняют резку с низкой скоростью с помощью острого режущего лезвия, отслаивая поверхностный слой. Измеряют горизонтальные и вертикальные усилия, прикладываемые при этом к режущему лезвию, а также вертикальное смещение, и вычисляют устойчивость к отслаиванию поверхностного слоя. В этом варианте осуществления применяли следующие условия.
- Режим измерения: режим с постоянной скоростью
- Горизонтальная скорость: 40 нм/с
- Вертикальная скорость: 2 нм/с
Режущее лезвие: монокристаллический алмаз (ширина лезвия: 0,3 мм, угол наклона: 20°, задний угол: 10°)
[0053] Устойчивость к отслаиванию измеряли на электроде по примеру 2 (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sn) после PCT-испытания. Кроме того, для сравнения, тому же измерению также подвергали тыльный электрод предшествующего уровня техники, т.е. тыльный электрод, имеющий конфигурацию слой Ti/слой Ni/ слой Ag (после PCT-испытания). Результаты показаны в таблице 2.
[0054] Таблица 2
Электродная структура
Толщина промежуточной области
Устойчивость к отслаиванию (после PCT)
Пример 2
Ti/Ni/Ag-Sn
80 нм
0,266 кН/м
Сравнительный пример
Ti/Ni/Ag
-
0,052 кН/м
[0055] Как ясно из Таблицы 2, в тыльном электроде в этом варианте осуществления устойчивость к отслаиванию слоя Ag-го сплава является высокой, и эта устойчивость к отслаиванию в четыре раза больше устойчивости к отслаиванию слоя Ag традиционного тыльного электрода.
Второй вариант осуществления:
[0056]  В этом варианте осуществления получали тыльный электрод, имеющий нанесенный на него Pd в качестве дополнительного элемента M (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Pd). При получении этого электрода с многослойной структурой сначала на той же подложке, что и в первом варианте осуществления, способом напыления формировали слой Ti и слой Ni. Толщины слоя Ti и слоя Ni были 100 нм и 300 нм, соответственно.
[0057] Дополнительно, в этом варианте осуществления на поверхности слоя Ni формировали тонкую Pd-ую пленку, а затем формировали слой Ag-го сплава, с последующей термической обработкой, с образованием тем самым промежуточной области и слоя Ag. При формировании тонкой Pd-ой пленки и последующем формировании слоя Ag применяли метод напыления, и формировали 20 нм тонкую Pd-ую пленку и 500 нм слой Ag.
[0058] После формирования слоя Ti/слоя Ni/тонкой Pd-ой пленки/слоя Ag выполняли термическую обработку, образуя промежуточную область, тем самым получая тыльный электрод. В качестве условий термической обработки, при температуре 250°C выполняли нагрев в атмосфере в течение 60 минут. В результате этой термической обработки получали электрод с трехслойной структурой из слоя Ti/слоя Ni/слоя Ag-го сплава, включающей промежуточную область.
[0059] Тем же образом, что и в первом варианте осуществления, тыльный электрод согласно этому варианту осуществления также подвергали PCT-испытанию и XPS-анализу. Условия XPS-анализа были теми же, что и в первом варианте осуществления. Однако, в обозначении аналитических элементов, в дополнение к Ag (3d), Ni (2p), Ti (2p), Si (2p), C (1s) и O (1s) также включали Pd (3d). Кроме того, при анализе данных измерений, выбранный энергетический диапазон для корректировки фона был следующим: Pd (3d): Обозначение выполняется вместе для пика вблизи 335 эВ и пика вблизи 340 эВ. Обозначенный диапазон был от позиции пика вблизи 335 эВ - 2,5 эВ до позиции пика вблизи 340 эВ + 5,0 эВ.
[0060] Результаты XPS-анализа на тыльном электроде по второму варианту осуществления показаны на фиг. 3. В случае электрода согласно этому варианту осуществления, в состоянии от формирования тонкой Pd-ой пленки до формирования слоя Ag, вблизи границы раздела со слоем Ni виден высокий пик Pd. Однако, в результате термической обработки, содержание Pd снижается, приводя к широкому пику. Вместо этого, Pd диффундирует в слой Ag, формируя слой Ag-го сплава. Пик содержания Pd в промежуточной области, сформированный в результате термической обработки, был 16,5 ат.%. Слой Ag-го сплава имеет состав Ag-2,3 ат.% Pd. Дополнительно, тыльный электрод по этому второму варианту осуществления также подтверждался как находящийся в благоприятном состоянии без отслаивания слоя Ag-го сплава после PCT-испытания.
[0061] Также в этом варианте осуществления толщину промежуточной области вычисляли, исходя из профиля XPS-анализа. В результате толщину промежуточной области вычисляли, как составляющую 80 нм. Также в этом варианте осуществления толщина промежуточного слоя была в предпочтительном диапазоне (40 нм или более и 150 нм или менее).
Третий вариант осуществления
[0062] : В этом варианте осуществления получали тыльный электрод (слой Ti/слой Ni/слой сплава Ag-Sn), содержащий Sn в качестве дополнительного элемента M и отличающийся составом промежуточной области (максимумом содержания дополнительного элемента M). Сначала, тем же образом, что и в первом варианте осуществления, на кремниевой подложке способом напыления формировали слой Ti и слой Ni. Толщины слоя Ti и слоя Ni были 100 нм и 300 нм, соответственно.
[0063] В этом варианте осуществления использовали следующие мишени: сплав Ag-5,0 мас.% Sn (пример 4) и сплав Ag-1,7 мас.% Sn (сравнительный пример 1) для формирования слоя сплава Ag-Sn. Каждую из этих мишеней подтверждали как имеющую средний размер зерна Ag-го сплава в диапазоне 20 мкм или более и 300 мкм или менее.
[0064] После формирования слоя Ti/слоя Ni/слоя сплава Ag-Sn тем же образом, что и в первом варианте осуществления, выполняли термическую обработку, образуя промежуточную область. В качестве условий термической обработки, при температуре 250°C выполняли нагрев в атмосфере в течение 60 минут.
[0065] Дополнительно, каждый из электродов по примеру и сравнительному примеру подвергали XPS-анализу, измеряя максимальное содержание Sn в промежуточной области и толщину промежуточной области. Кроме того, тем же образом, что и в первом варианте осуществления, выполняли PCT-испытание, и оценивали адгезию слоя Ni/слоя Ag-го сплава. Результаты показаны в таблице 3. В данном случае, в таблице 3 результаты примеров 1 и 2 по первому варианту осуществления также показаны вместе.
[0066] Таблица 3
Электродная структура
Состав мишени
Промежуточная область
Количество Sn в слое Ag-го сплава (ат.%)
Отслоение при PCT-испытании
мас.%
ат.%
Максимальное количество Sn (ат.%)
Толщина(нм)
Пример 1
Ti/Ni/Ag-Sn
Ag-7,5 Sn
Ag-6,9 Sn
12,7
80
4,0
Нет
Пример 2
Ag-9,5 Sn
Ag-8,7 Sn
21,9
80
3,5
Нет
Пример 4
Ag-5,0 Sn
Ag-4,6 Sn
6,2
100
3,5
Нет
Сравнительный пример 1
Ag-1,7 Sn
Ag-1,5 Sn
2,8
160
1,3
Произошло отслаивание
[0067] Из таблицы 3, в электроде по сравнительному примеру 1, на который наносили слой Ag-го сплава, имеющий низкую концентрацию дополнительного элемента M (Sn), максимум содержания Sn в промежуточной области также был ниже стандартного (5 ат.%). Дополнительно, в результате PCT-испытания, произошло отслаивание. Между тем, в промежуточной области по примеру 4, хотя максимум содержания Sn был ниже по сравнению с примерами 1 и 2, он не был ниже стандартного значения, и отслаивания не произошло.
Промышленная применимость
[0068] Электродная структура тыльного электрода полупроводниковой подложки согласно настоящему изобретению имеет многослойную структуру слой Ti/слой Ni/слой Ag-го сплава и демонстрирует превосходную адгезию между слоем Ni и слоем Ag-го сплава. Согласно настоящему изобретению, становится возможным стабильно приводить в действие устройство, одновременно сохраняя функцию каждого металлического слоя, формирующего тыльный электрод. Настоящее изобретение, как ожидается, подлежит применению в полупроводниковых устройствах, таких как силовые модули, включающие в себя MOSFET и IGBT.