JP2017135283A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Akihiro Higasa
旭紘 日笠
一介 加藤
Kazusuke Kato
一介 加藤
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Lapis Semiconductor Co Ltd
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Rohm Co Ltd
Lapis Semiconductor Co Ltd
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Abstract

【課題】半導体層に対する表面電極のコンタクト抵抗を低く抑えることができ、かつ、表面電極のめっき層のための無電解めっき時に、当該無電解めっきの前処理用の薬剤で半導体層がダメージを受けることを防止できる半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体層2の表面6に、p型領域5に接続されるように第1Al系電極101を形成し、第1Al系電極101上にAl系酸化薄膜102を形成する。次に、Al系酸化薄膜102上に第2Al系電極103を形成する。次に、無電解めっきによって、第2Al系電極103上にめっき層104を形成する。【選択図】図3

Description

本発明は、めっき層を有する表面電極を含む半導体装置およびその製造方法に関する。
パワーモジュールに使用される素子の一例として、たとえば特許文献1は、アノード電極と、p層と、nドリフト層と、n層と、カソード層と、カソード電極とを有するダイオードを開示している。このダイオードにおいて、p層、nドリフト層、n層およびカソード層は、導電型不純物が添加されたSiからなっている。
特許第5256357号公報
特許文献1のアノード電極のような表面電極の構造の一例として、たとえば、Al系電極の表面にNi/Au等を無電解めっきすることによって形成された積層構造がある。しかしながら、この種の積層構造を従来のやり方で形成すると、無電解めっきを行う際に使用されるアルカリ系薬剤(エッチング液)によってSi基板が侵食されるおそれがある。
具体的には、Al系電極をSi表面に形成した後にアニール処理すると、AlとSiとの線膨張係数の違いから、Alが塑性変形してAl表面にヒロックが発生し易い。その後、冷却時にAlが収縮すると、ヒロックの下方のグレイン粒界に空洞や隙間が形成される場合がある。そして、空洞等が存在する状態でAl系電極の表面がアルカリ系薬剤でエッチング処理されると、その空洞等を介してSi表面にアルカリ系薬剤が残留してエッチングされるというメカニズムである。
一方、Al系電極とSiとの間にバリアメタルを設けることでAl系電極とSiとの接触を防止してもよいが、Ti等のバリアメタルは、たとえばp型Siに対する障壁高さが高く、順方向電圧が高くなるという背反を生じる。
本発明の一実施形態は、半導体層に対する表面電極のコンタクト抵抗を低く抑えることができ、かつ、表面電極のめっき層のための無電解めっき時に、当該無電解めっきの前処理用の薬剤で半導体層がダメージを受けることを防止できる半導体装置およびその製造方法を提供する。
本発明の一実施形態は、第1導電型半導体領域および当該第1導電型半導体領域に接合された第2導電型半導体領域を有する半導体層と、前記半導体層の一表面において前記第2導電型領域に接続され、第1Al系電極、第2Al系電極、前記第1Al系電極と前記第2Al系電極との間のAl系酸化薄膜、および前記第2Al系電極上のめっき層を有する表面電極とを含む、半導体装置を提供する。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記第2Al系電極は、前記めっき層との境界部の少なくとも一部に微細な凹凸を有していてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記第2Al系電極は、前記第1Al系電極よりも薄く形成されていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記第1Al系電極の厚さは、3.0μm〜5.0μmであり、前記第2Al系電極の厚さは、1.0μm〜2.0μmであってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記Al系酸化薄膜の厚さは、10Å〜40Åであってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記めっき層の厚さは、2.0μm〜5.0μmであってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記第1Al系電極は、Al、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択される少なくとも一種からなっていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記第2Al系電極は、Al、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択される少なくとも一種からなっていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記Al系酸化薄膜は、酸化アルミニウムからなっていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記めっき層は、少なくとも前記第2Al系電極に接する部分にNi層を有していてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置では、前記半導体層は、SiまたはSiCからなっていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、pnダイオードを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、IGBTを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、MISFETを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、バイポーラトランジスタを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態は、第1導電型半導体領域および当該第1導電型半導体領域に接合された第2導電型半導体領域を有する半導体層の一表面に、前記第2導電型半導体領域に接続されるように第1Al系電極を形成する工程と、前記第1Al系電極上にAl系酸化薄膜を形成する工程と、前記Al系酸化薄膜上に第2Al系電極を形成する工程と、無電解めっきによって、前記第2Al系電極上にめっき層を形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法を提供する。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法では、前記Al系酸化薄膜を形成する工程は、前記第1Al系電極の表面を酸化する工程を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法では、前記第1Al系電極の表面を酸化する工程は、前記第1Al系電極を大気中で熱処理する工程を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前記第2Al系電極の形成後、前記第2Al系電極をアニール処理する工程を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前記めっき層の形成に先立って、アルカリ系薬剤を用いて前記第2Al系電極の表面をエッチングする工程を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態によれば、第1Al系電極と第2Al系電極との間にAl系酸化薄膜が設けられている。Al系酸化薄膜は、第1Al系電極と第2Al系電極の粒界面を分離する粒界分離層として機能する。これにより、第1Al系電極が塑性変形しても、第1Al系電極の粒界を第2Al系電極が引き継がないので、第2Al系電極のAl表面にヒロックが発生することを抑制することができる。その結果、降温後に、アルカリ系薬剤の経路となる空洞等が第2Al系電極内に発生することを防止することができる。そのため、無電解めっきの前処理用の薬剤が第2Al系電極に供給されても、当該薬剤が半導体層まで到達することを阻止することができる。これにより、めっき層の無電解めっき時に、半導体層がダメージを受けることを防止することができる。また、半導体層(第2導電型半導体領域)に対して第1Al系電極を直接接続することができるので、半導体層に対する表面電極のコンタクト抵抗を低く抑えることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係るpnダイオードの模式的な平面図である。 図2は、図1のII−II切断線における断面図である。 図3は、図2の破線IIIで囲まれた領域の拡大図である。 図4Aは、図1のpnダイオードの製造工程の一部を示す図である。 図4Bは、図4Aの次の工程を示す図である。 図4Cは、図4Bの次の工程を示す図である。 図4Dは、図4Cの次の工程を示す図である。 図4Eは、図4Dの次の工程を示す図である。 図4Fは、図4Eの次の工程を示す図である。 図4Gは、図4Fの次の工程を示す図である。 図4Hは、図4Gの次の工程を示す図である。 図5Aは、Al系電極が熱処理(昇温時)される過程を説明するための図である。 図5Bは、Al系電極が熱処理(降温時)される過程を説明するための図である。 図6Aは、Al系電極が熱処理(昇温時)される過程を説明するための図である。 図6Bは、Al系電極が熱処理(降温時)される過程を説明するための図である。 図7は、FRD素子の表面電極構造のTEM画像を示す図である。 図8は、本発明の一実施形態に係るIGBTの模式的な断面図である。 図9は、本発明の一実施形態に係るMISFETの模式的な断面図である。 図10は、本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタの模式的な断面図である。 図11は、前記IGBTおよび前記pnダイオードを含む半導体パッケージの模式的な平面図である。 図12は、図11のXII-XII切断線における断面図である。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るpnダイオード1の模式的な平面図である。図2は、図1のII−II切断線における断面図である。
pnダイオード1は、たとえば、平面視正方形、平面視長方形のチップ状である。そのチップサイズは、たとえば、1.0mm×1.0mm〜20mm×20mmであってもよい。pnダイオード1は、アクティブ領域201と、アクティブ領域201を取り囲む外周領域202と、外周領域202を取り囲むスクライブ領域203とを含む。表面保護膜204(図1のハッチング部分)は、アクティブ領域201および外周領域202を覆う一方、スクライブ領域203を露出させるように形成されている。また、表面保護膜204には、後述するアノード電極11の一部をパッドとして露出させる開口205が形成されている。
pnダイオード1は、半導体層2を含む。半導体層2は、本発明の第1導電型半導体領域の一例としてのn型領域3およびn型領域4を含む。半導体層2は、ベース基板としてのn型領域3上に、n型領域4をエピタキシャル成長させることによって構成されていてもよい。
アクティブ領域201において、半導体層2には、p型領域5が形成されている。p型領域5は、n型領域4の表面部に選択的に形成された不純物拡散層であってもよい。これにより、半導体層2には、p型領域5とn型領域4との間にpn接合が形成されている。
外周領域202においてn型領域4の表面部には、p型ウェル10およびp型FLR(Field Limiting Ring)17が形成されている。p型ウェル10は、p型領域5の径よりも大きい外径を有する環状に形成されており、p型領域5の周縁部9を全体にわたって下方から覆うように配置されている、また、p型ウェル10の外周縁は、p型領域5の外周縁よりも外側に配置されている。
p型FLR17は、p型ウェル10を取り囲むように複数形成されている。この実施形態では、p型FLR17は、p型ウェル10に近い側から遠ざかる順に4つのp型FLR17A〜17Dを含んでいる。互いに隣り合うp型FLR17の間隔W1〜W4(最も内側のp型FLR17についてはp型ウェル10との間隔)は、p型ウェル10に近い側から遠ざかる順に広くなっている。たとえば、間隔W1=15μm、間隔W2=17μm、間隔W3=19μmおよび間隔W4=23μm程度であってもよい。
また、外周領域202においてn型領域4の表面部にはさらに、n型チャネルストップ領域18が形成されている。n型チャネルストップ領域18は、外周領域202から半導体層2の端面19に至るように形成されていてもよい。
半導体層2の表面6には、フィールド絶縁膜7が形成されている。フィールド絶縁膜7は、p型領域5を選択的に露出させるコンタクト孔8を有している。p型領域5は、コンタクト孔8の内方領域全体に形成され、さらにコンタクト孔8の外側に跨るように延びている。これにより、p型領域5の周縁部9はフィールド絶縁膜7に覆われている。また、コンタクト孔8は、たとえば、その開口端から半導体層2の表面6に向かって径が狭まるテーパ状の側面を有していてもよい。
また、フィールド絶縁膜7は、p型FLR17を選択的に露出させるコンタクト孔38と、n型チャネルストップ領域18を選択的に露出させる外周除去領域39とを有している。
半導体層2の表面6上には、電極膜40が選択的に形成されている。電極膜40は、本発明の表面電極の一例としてのアノード電極11、フィールドプレート58およびEQR(EQui−potential Ring:等電位ポテンシャルリング)電極59を含む。
アノード電極11は、フィールド絶縁膜7のコンタクト孔8内でp型領域5に接続されている。また、アノード電極11は、コンタクト孔8からフィールド絶縁膜7上に乗り上がり、フィールド絶縁膜7を挟んでp型領域5の周縁部9およびp型ウェル10に対向するオーバーラップ部12を有している。オーバーラップ部12の外周縁の位置は、p型領域5の外周縁とp型ウェル10の外周縁との間であってもよい。
フィールドプレート58は、各p型FLR17A〜17Dに一つずつ対応して形成されている。各フィールドプレート58は、フィールド絶縁膜7のコンタクト孔38内でp型FLR17A〜17Dに接続されている。最も外側でp型FLR17Dに接続されたフィールドプレート58は、フィールド絶縁膜7上において端面19側に引き出された引き出し部60を有している。引き出し部60の長さは、たとえば、50μm程度であってもよい。
EQR電極59は、フィールド絶縁膜7の外周除去領域39内でn型チャネルストップ領域18に接続されている。また、EQR電極59の内周縁と最も外側のフィールドプレート58の外周縁との距離L(絶縁距離)は、たとえば、30μm〜60μmであってもよい。
そして、表面保護膜204は、電極膜40を覆うように形成されている。
半導体層2の裏面13上には、本発明の表面電極の一例としてのカソード電極14が形成されている。カソード電極14は、半導体層2の裏面13においてn型領域3に接続されている。
pnダイオード1の各部の詳細について以下に説明を加える。
半導体層2は、たとえば、Siを含む半導体材料からなり、具体的には、SiまたはSiCからなっていてもよい。
型領域3、n型領域4およびn型チャネルストップ領域18は、n型不純物を含有する半導体領域である。含有されるn型不純物としては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる(以下、n型不純物というときには同じ)。また、n型領域3の不純物濃度は、たとえば1×1017cm−3〜1×1022cm−3であり、n型領域4の不純物濃度は、たとえば1×1013cm−3〜1×1015cm−3であり、n型チャネルストップ領域18の不純物濃度は、たとえば1×1017cm−3〜1×1022cm−3であってもよい。また、n型領域3の厚さは、たとえば0.3μm〜600μmであり、n型領域4の厚さは、たとえば30μm〜300μmであってもよい。また、n型チャネルストップ領域18の表面6からの深さは、たとえば2μm〜3μmであってもよい。
p型領域5、p型ウェル10およびp型FLR17は、p型不純物を含有する半導体領域である。含有されるp型不純物としては、たとえば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)、Ar(アルゴン)等を使用できる(以下、p型不純物というときには同じ)。また、p型領域5、p型ウェル10およびp型FLR17の不純物濃度は、たとえば1×1015cm−3〜1×1020cm−3であるが、この実施形態では、この範囲内でp型領域5の不純物濃度が、p型ウェル10およびp型FLR17の不純物濃度よりも低くなっている。また、p型領域5の表面6からの深さは、p型ウェル10およびp型FLR17よりも浅く、たとえば1μm〜3μmである。一方、p型ウェル10およびp型FLR17の表面6からの深さは、互いに同じであり、たとえば6μm〜10μmであってもよい。
フィールド絶縁膜7は、たとえば、SiO(酸化シリコン)で構成することができ、たとえば、熱酸化やCVD(化学的気相成長)によって形成できる。フィールド絶縁膜7の厚さは、たとえば0.5μm〜5.0μmであってもよい。
表面保護膜204は、たとえば、ポリイミドで構成することができ、たとえば、スピンコート法によって形成できる。
次に、アノード電極11、カソード電極14、フィールドプレート58およびEQR電極59の構成を、図3を参照して詳細に説明する。なお、以下では、代表例としてアノード電極11の構成を説明し、カソード電極14、フィールドプレート58およびEQR電極59の説明を省略するが、アノード電極11と同じ構成を、カソード電極14、フィールドプレート58およびEQR電極59にも適用できるものとする。
図3は、図1の破線IIIで囲まれた領域の拡大図である。
フィールド絶縁膜7は、たとえばSiOからなる下層膜76と、たとえばPSGからなる上層膜77とを含んでいてもよい。
アノード電極11は、半導体層2の表面6側から順に積層された第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102、第2Al系電極103およびめっき層104を含む。第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102および第2Al系電極103は、半導体層2と表面保護膜204との間に形成されており、めっき層104は、表面保護膜204の開口205内に形成されている。
第1Al系電極101は、図3では半導体層2のp型領域5に接触して電気的に接続される電極層であり、たとえば3.0μm〜5.0μmの厚さを有している。第1Al系電極101は、主成分としてAlを含有する金属からなり、具体的には、Al、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択される少なくとも一種からなっていてもよい。
Al系酸化薄膜102は、図3では第1Al系電極101に直接接するように形成されている。Al系酸化薄膜102は、トンネル効果によって厚さ方向に電流を流すことができる程度の薄さで形成されており、たとえば10Å〜40Åの厚さを有している。Al系酸化薄膜102は、Alの酸化物からなり、具体的には、Al、Al・3HO等からなっていてもよい。
第2Al系電極103は、図3ではAl系酸化薄膜102に直接接するように形成されているが、本発明の実施形態としてはこれに限らず、たとえば、Al系酸化薄膜102と第2Al系電極103との間にAl系以外のメタル層が設けられていてもよい。第2Al系電極103は、第1Al系電極101よりも薄く形成されており、たとえば1.0μm〜2.0μmの厚さを有している。第2Al系電極103は、主成分としてAlを含有する金属からなり、具体的には、Al、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択される少なくとも一種からなっていてもよい。すなわち、第1Al系電極101および第2Al系電極103は、いずれもAl、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択されるAl系材料で構成することができる。これら第1および第2Al系電極101,103は、互いに同じ材料で構成されていてもよいし、互いに異なる材料で構成されていてもよい。たとえば、第1および第2Al系電極101,103が共にAlSiからなっていてもよいし、第1Al系電極101がAlSiからなり、第2Al系電極103がAlCuからなっていてもよい。使用するAl系材料は、たとえば、半導体層2に対するオーミック特性、Al系酸化薄膜102やめっき層104との密着性等を考慮して選択すればよい。
また、第2Al系電極103は、めっき層104との境界部105に微細な凹凸106を有している。微細な凹凸106は、後述する無電解めっきの前処理時に形成されるものであり、表面保護膜204の開口205内の第2Al系電極103の上面の全体にわたって不規則に離散して配置されている。微細な凹凸の深さは、第2Al系電極103の特性に影響のない程度の小さいものであり、たとえば、第2Al系電極103の厚さの5%未満である。
また、第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102および第2Al系電極103の積層構造は、フィールド絶縁膜7上の端部において段差部78を有している。段差部78は、第1Al系電極101およびAl系酸化薄膜102が、第2Al系電極103から外側(端面19側)にフランジ部79として張り出すことによって形成されている。当該フランジ部79の上側には、第2Al系電極103の端面からなる円弧面80が形成されている。円弧面80は、第2Al系電極103の内側に窪む形状である。この円弧面80によって、表面保護膜204とアノード電極11との密着性を向上させることができる。このような端部の段差構造は、半導体層2上の領域に端部を有するフィールドプレート58およびEQR電極59の端部にも形成されている。
めっき層104は、図3に示すように複数の層からなっていてもよい。複数の層は、第2Al系電極103に直接接するように形成されたNi層107と、当該Ni層107上のAu層108とを含んでいてもよい。この場合、Au層108がアノード電極11の最表面を定義する。なお、めっき層104の構造は、Ni層107およびAu層108からなる構造に限らず、たとえば、第2Al系電極103から順にNi層、Pd層およびAu層が積層された3層構造であってもよい。また、めっき層104は、たとえば、2.0μm〜5.0μmを有している。図3の構成では、Ni層107の厚さが、たとえば2.0μm〜4.9μmであり、Au層108の厚さが、Ni層107よりも薄く、たとえば0.01μm〜0.2μmであってもよい。
なお、カソード電極14がアノード電極11と同じ構成である場合には、当該カソード電極14は、半導体層2の裏面13側から順に積層された第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102、第2Al系電極103およびめっき層104を含んでいればよい。
次に、図1のpnダイオード1の製造方法を説明する。図4A〜図4Hは、図1のpnダイオード1の製造工程を工程順に示す図である。
pnダイオード1を製造するには、たとえば、エピタキシャル成長によって、ベース基板(半導体ウエハ)としてのn型領域3上にn型領域4が形成される。次に、イオン注入およびアニール処理によって、n型領域4の表面部に、p型領域5、p型ウェル10、p型FLR17およびn型チャネルストップ領域18が形成される。次に、半導体層2の表面6に、コンタクト孔8を有するフィールド絶縁膜7が形成される。
次に、図4Aに示すように、たとえばスパッタ法で半導体層2上にAl系電極材料を堆積させることによって、第1Al系電極101が形成される。第1Al系電極101はコンタクト孔8に入り込み、p型領域5に接続される。
次に、第1Al系電極101の形成後の半導体層2(エピタキシャル層が形成された半導体ウエハ)がスパッタ用のチャンバから取り出され、第1Al系電極101の表面が酸化される。第1Al系電極101の表面は、たとえば、半導体ウエハを大気中で熱処理することによって強制的に酸化されてもよいし、半導体ウエハを大気中に放置することによって自然酸化されてもよい。さらに、第1Al系電極101の表面酸化ではなく、堆積によって、Al系酸化薄膜102を形成してもよい。これにより、図4Bに示すように、第1Al系電極101上にAl系酸化薄膜102が形成される。
次に、図4Cに示すように、たとえばスパッタ法でAl系酸化薄膜102上にAl系電極材料を堆積させることによって、第2Al系電極103が形成される。
次に、第1Al系電極101および第2Al系電極103がアニール処理される。アニール処理の条件は、たとえば、水素、窒素またはこれらの混合気体雰囲気中で1気圧、300℃〜500℃、10分〜180分間であってもよい。アニール処理後、たとえば、1時間〜3時間、放置することによって第1Al系電極101および第2Al系電極103が自然冷却される。
次に、図4Dに示すように、第2Al系電極103上に、選択的に開口49を有するマスク20が形成され、当該マスク20を介して第2Al系電極103がエッチングされる。エッチングは、たとえば、ウエットエッチングが採用される。ウエットエッチング用のエッチング液としては、たとえば、HPO、HNO、CHCOOH等を含むエッチング液が使用できる。これにより、第2Al系電極103が等方的にエッチングされ、その端面が開口49よりも内側となるように侵食されて円弧面80が形成される。この際、Al系酸化薄膜102が、ウエットエッチングを停止させるエッチングストッパとして機能する。
次に、図4Eに示すように、同じマスク20を用いたドライエッチング(たとえば、RIE:反応性イオンエッチング)によって、Al系酸化薄膜102および第1Al系電極101が順にエッチングされる。ドライエッチング用のエッチングガスとしては、たとえば、Al系酸化薄膜102の場合はフッ素系ガス(HF等)が使用でき、第1Al系電極101の場合は塩素系ガス(Cl+BCl、Cl+CCl等)が使用できる。ドライエッチングでは、Al系酸化薄膜102および第1Al系電極101が厚さ方向に異方的にエッチングされる。これにより、Al系酸化薄膜102および第1Al系電極101は、第2Al系電極103よりも外側にフランジ部79として張り出し、当該フランジ部79は、マスク20の開口49の輪郭にほぼ一致する端面を有することとなる。
次に、図4Fに示すように、たとえばスピンコート法によって、半導体層2上に表面保護膜204が形成される。そして、表面保護膜204が選択的に除去されることによって、第2Al系電極103の表面109の一部を露出させる開口205が形成される。
次に、図4Gに示すように、無電解めっきに先立って前処理が行われる。前処理では、まず、たとえばアルカリ系の脱脂剤等を用いて、第2Al系電極103の表面109に付着している油分が除去される(表面クリーニング)。次に、アルカリ系薬剤(たとえば、NaOHを含む溶液)を第2Al系電極103の表面109に供給することによって、表面109に自然酸化によって形成された酸化皮膜が除去されると共に、第2Al系電極103の表面109がエッチングされる。これにより、表面109に微細な凹凸106が形成される。次に、酸化皮膜の除去の際に発生した不純物が、酸系薬剤(たとえば、硝酸、フッ化物等を含む溶液)を用いて除去される(酸洗浄)。
次の処理は、ジンケート処理である。この実施形態では、たとえば、二段の亜鉛置換処理であるダブルジンケート法を適用できる。より具体的には、まず、ジンケート溶液(たとえば、NaOHおよびZnOを含む溶液)を用いて第2Al系電極103の表面109が処理されることによって、比較的大きなZn粒子が表面109に析出する。次に、酸系薬剤(たとえば、硝酸溶液)を用いて表面109上のZn粒子が溶解された後、再度、ジンケート溶液(たとえば、NaOHおよびZnOを含む溶液)が供給される。これにより、より微細なZn粒子の皮膜を表面109上に形成することができる。
次に、半導体ウエハ(図示せず)を無電解めっき用のNiめっき液に浸漬することによって、前処理工程で形成したZn皮膜が無電解めっき液中でNiに置換され、その後、置換されたNiを触媒としてNiのめっき反応が進行する。これにより、図4Hに示すように、第2Al系電極103上にNi層107が形成される。その後、半導体ウエハ(図示せず)をAuめっき液が入っているめっき浴槽に移して浸漬することによって、Ni層107上にAu層108が形成される。これにより、アノード電極11が形成される。なお、カソード電極14がアノード電極11と同じ構成である場合には、アノード電極11とカソード電極14を同時に形成していけばよい。また、フィールドプレート58およびEQR電極59は、アノード電極11と同一工程で形成される。
その後、半導体ウエハが各素子サイズに切り分けられることによって、図1のpnダイオード1が得られる。
以上の工程によれば、たとえば、Al系電極が第1Al系電極101の単層構造であり、図4Aの工程で、第1Al系電極101の形成後、第1Al系電極101がアニール処理されると、AlとSiとの線膨張係数の違いから、図5Aに示すように、第1Al系電極101に圧縮応力が発生してAlが塑性変形(熱膨張)し、一部のAlがAl表面110に押し出されてヒロック111が発生する場合がある。このようなヒロック111は、第1Al系電極101のアニール処理時だけでなく、半導体ウエハをシンター処理する際にも起こり得る。その後、Alの降温時(冷却時)には、図5Bに示すように、第1Al系電極101に引張応力が発生してAlが収縮するので、ヒロック111の下方のグレイン粒界に空洞112(または隙間)が形成される場合がある。
この空洞112が存在する状態で第1Al系電極101のAl表面110がアルカリ系薬剤でエッチング処理されると、その空洞112を介してSi表面(表面6)にアルカリ系薬剤が残留する。Si表面では、たとえばSi+4OH→Si(OH)+4eで表される反応でエッチングが進行し、最終的にSi表面に、当該エッチングによるピット113(小さな窪み)が形成されるおそれがある。
しかしながら、この実施形態では、図6Aおよび図6Bに示すように、Al系電極が第1Al系電極101および第2Al系電極103の二層構造であり、しかも、これらの電極101,103の間にAl系酸化薄膜102が設けられている。このAl系酸化薄膜102は、第1Al系電極101と第2Al系電極103の粒界面を分離する粒界分離層として機能する。これにより、第1Al系電極101が塑性変形しても、第1Al系電極101の粒界を第2Al系電極103が引き継がないので、Al系電極の最表面である第2Al系電極103のAl表面110にヒロックが発生することを抑制することができる(図6A)。その結果、降温後に、アルカリ系薬剤の経路となる空洞等が第2Al系電極103内に発生することを防止することができる(図6B)。そのため、無電解めっきの前処理用の薬剤が第2Al系電極103に供給されても、アルカリ系薬剤が半導体層2まで到達することを阻止することができる。これにより、めっき層104の無電解めっき時に、半導体層2がダメージを受けることを防止することができる。
また、この実施形態では、p型領域5に対して第1Al系電極101を直接接続することができるので、p型領域5に対するアノード電極11のコンタクト抵抗を低く抑えることができる。
以上の内容に従って製造したFRD(Fast Recovery Diode)素子の表面電極構造のTEM画像が図7である。Si基板上に、図7に示すように、下層のAlSiおよび上層のAlSiの積層構造(間に自然酸化薄膜あり)を形成した。図7から明らかなように、Al系酸化薄膜としての自然酸化薄膜が、下層のAlSiの表面を覆うキャップとしての役割を果たしており、これにより、下層のAlSiと上層のAlSiとの間が遮断されている。そして、図7から、第1Al系電極101の粒界を第2Al系電極103が引き継いでいないことも明らかである。
次に、上記アノード電極11の構成を適用できる一例を、図8〜図10を参照して説明する。なお、図8〜図10では、図1および図2におけるアクティブ領域201の一部のみを示しており、外周領域202およびスクライブ領域203については共通の構造であるため説明を省略する。
図8は、本発明の一実施形態に係るIGBT21の模式的な断面図である。
IGBT21は、トレンチゲート型のIGBTであって、半導体層22を含む。半導体層22は、本発明の第2導電型半導体領域の一例としてのp型コレクタ領域23およびn型ドリフト領域24を含む。n型ドリフト領域24の表面部には、p型ベース領域25が形成されている。p型ベース領域25の表面部には、本発明の第1導電型半導体領域の一例としてのn型エミッタ領域26が形成されており、このn型エミッタ領域26を貫通してp型ベース領域25に接するようにp型ベースコンタクト領域27が形成されている。
一方、半導体層22の表面28からn型エミッタ領域26およびp型ベース領域25を貫通してゲートトレンチ29が形成されている。ゲートトレンチ29によって、p型ベース領域25は複数の単位セル30に区画されている。ゲートトレンチ29には、たとえばSiO(酸化シリコン)からなるゲート絶縁膜31を介して、ゲート電極32(たとえば、ポリシリコン電極)が埋め込まれている。
半導体層22の表面28には、ゲート電極32を覆うように、たとえばSiO(酸化シリコン)からなる層間絶縁膜33が形成されている。層間絶縁膜33は、n型エミッタ領域26およびp型ベースコンタクト領域27を露出させるコンタクト孔34を有している。
半導体層22の表面28上には、本発明の表面電極の一例としてのエミッタ電極35が形成されている。エミッタ電極35は、層間絶縁膜33のコンタクト孔34内でn型エミッタ領域26およびp型ベースコンタクト領域27に接続されている。一方、半導体層22の裏面36上には、本発明の表面電極の一例としてのコレクタ電極37が形成されている。コレクタ電極37は、半導体層22の裏面36においてp型コレクタ領域23に接続されている。
そして、このIGBT21では、エミッタ電極35およびコレクタ電極37に、図3で示したアノード電極11の構成を適用することができる。すなわち、エミッタ電極35およびコレクタ電極37は、それぞれ、半導体層22の表面28または裏面36側から順に積層された第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102、第2Al系電極103およびめっき層104を含んでいてもよい。
図9は、本発明の一実施形態に係るMISFET41の模式的な断面図である。
MISFET41は、プレーナゲート型のMISFETであって、半導体層42を含む。半導体層42は、n型ドレイン領域43およびn型ドリフト領域44を含む。n型ドリフト領域44の表面部には、複数のp型ボディ領域45が形成されている。p型ボディ領域45によって、半導体層42は複数の単位セル50に区画されている。各p型ボディ領域45の表面部には、本発明の第1導電型半導体領域の一例としてのn型ソース領域46が形成されており、このn型ソース領域46を貫通してp型ボディ領域45に接するようにp型ボディコンタクト領域47が形成されている。
半導体層42の表面48上には、たとえばSiO(酸化シリコン)からなるゲート絶縁膜51を介して、ゲート電極52(たとえば、ポリシリコン電極)が形成されている。ゲート電極52は、隣り合うp型ボディ領域45に跨り、各p型ボディ領域45の外縁とn型ソース領域46との間のチャネル領域に対向している。
半導体層42の表面48には、ゲート電極52を覆うように、たとえばSiO(酸化シリコン)からなる層間絶縁膜53が形成されている。層間絶縁膜53は、n型ソース領域46およびp型ボディコンタクト領域47を露出させるコンタクト孔54を有している。
半導体層42の表面48上には、本発明の表面電極の一例としてのソース電極55が形成されている。ソース電極55は、層間絶縁膜53のコンタクト孔54内でn型ソース領域46およびp型ボディコンタクト領域47に接続されている。一方、半導体層42の裏面56上には、本発明の表面電極の一例としてのドレイン電極57が形成されている。ドレイン電極57は、半導体層42の裏面56においてn型ドレイン領域43に接続されている。
そして、このMISFET41では、ソース電極55およびドレイン電極57に、図3で示したアノード電極11の構成を適用することができる。すなわち、ソース電極55およびドレイン電極57は、それぞれ、半導体層42の表面48または裏面56側から順に積層された第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102、第2Al系電極103およびめっき層104を含んでいてもよい。
なお、MISFET41は、プレーナゲート構造に限らず、図8に示したトレンチゲート構造のMISFETであってもよい。逆に、図8のIGBT21もトレンチゲート構造に限らず、プレーナゲート構造のIGBTであってもよい。
図10は、本発明の一実施形態に係るバイポーラトランジスタ61の模式的な断面図である。
バイポーラトランジスタ61は、半導体層62を含む。半導体層62は、本発明の第1導電型半導体領域の一例としてのn型コレクタ領域63およびn型領域64と、本発明の第2導電型半導体領域の一例としてのp型ベース領域65とを含む。半導体層62は、ベース基板としてのn型コレクタ領域63上に、n型領域64をエピタキシャル成長させることによって構成されていてもよい。その場合、p型ベース領域65は、n型領域64の表面部に選択的に形成された不純物拡散層であってもよい。
p型ベース領域65の表面部には、p型ベースコンタクト領域66およびn型エミッタ領域67が互いに間隔を空けて形成されている。
半導体層62の表面68には、フィールド絶縁膜69が形成されている。フィールド絶縁膜69は、p型ベースコンタクト領域66およびn型エミッタ領域67を選択的に露出させるコンタクト孔70,71を有している。コンタクト孔70,71は、たとえば、その開口端から半導体層62の表面68に向かって径が狭まるテーパ状の側面を有していてもよい。
半導体層62の表面68上には、本発明の表面電極の一例としてのベース電極72およびエミッタ電極73が形成されている。ベース電極72は、フィールド絶縁膜69のコンタクト孔70内でp型ベースコンタクト領域66に接続され、エミッタ電極73は、フィールド絶縁膜69のコンタクト孔71内でn型エミッタ領域67に接続されている。
半導体層62の裏面74上には、本発明の表面電極の一例としてのコレクタ電極75が形成されている。コレクタ電極75は、半導体層62の裏面74においてn型コレクタ領域63に接続されている。
そして、このバイポーラトランジスタ61では、ベース電極72、エミッタ電極73およびコレクタ電極75に、図3で示したアノード電極11の構成を適用することができる。すなわち、ベース電極72、エミッタ電極73およびコレクタ電極75は、それぞれ、半導体層62の表面68または裏面74側から順に積層された第1Al系電極101、Al系酸化薄膜102、第2Al系電極103およびめっき層104を含んでいてもよい。
次に、前述のpnダイオード1、IGBT21、MISFET41およびバイポーラトランジスタ61を含むパッケージの構成を、図11および図12を参照して説明する。図11および図12ではパッケージの一例として、IGBT21およびpnダイオード1(FRD)を含む半導体パッケージ81の構成を説明する。
半導体パッケージ81は、両面放熱タイプのパッケージであって、樹脂パッケージ82の上面および下面の両面から熱を逃がすことができる。
半導体パッケージ81は、下側ヒートスプレッダ83と、上側ヒートスプレッダ84と、下側ヒートスプレッダ83および上側ヒートスプレッダ84で挟まれたIGBT21およびpnダイオード1とを含む。
IGBT21およびpnダイオード1は、それぞれ、カソード電極14(図示せず)およびコレクタ電極37を半田85で下側ヒートスプレッダ83に接合することによって、下側ヒートスプレッダ83上に設けられている。IGBT21のエミッタ電極35およびpnダイオード1のアノード電極11(図示せず)と上側ヒートスプレッダ84との間には、たとえばCuからなる導電スペーサ86が設けられている。エミッタ電極35およびアノード電極11と導電スペーサ86とは半田87で接合され、導電スペーサ86と上側ヒートスプレッダ84とは半田88で接合されている。また、IGBT21は、ボンディングワイヤ89によって複数のリード90に接続されている。
樹脂パッケージ82は、下側ヒートスプレッダ83、上側ヒートスプレッダ84および複数のリード90の一部を端子91,92,93として露出させるようにこれらを覆っている。また、下側ヒートスプレッダ83の一表面は、樹脂パッケージ82の下面94から放熱面95として露出している。一方、上側ヒートスプレッダ84の一表面は、樹脂パッケージ82の上面96から放熱面97として露出している。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述のpnダイオード1、IGBT21、MISFET41およびバイポーラトランジスタ61の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。たとえば、pnダイオード1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。
本発明の半導体装置は、たとえば、電気自動車(ハイブリッド車を含む)、電車、産業用ロボット等の動力源として利用される電動モータを駆動するための駆動回路を構成するインバータ回路に用いられるパワーモジュールに組み込むことができる。また、太陽電池、風力発電機その他の発電装置(とくに自家発電装置)が発生する電力を商用電源の電力と整合するように変換するインバータ回路に用いられるパワーモジュールにも組み込むことができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1 pnダイオード
2 半導体層
3 n型領域
4 n型領域
5 p型領域
6 (半導体層の)表面
11 アノード電極
13 (半導体層の)裏面
14 カソード電極
21 IGBT
22 半導体層
23 p型コレクタ領域
24 n型ドリフト領域
25 p型ベース領域
26 n型エミッタ領域
27 p型ベースコンタクト領域
28 (半導体層の)表面
35 エミッタ電極
36 (半導体層の)裏面
37 コレクタ電極
41 MISFET
42 半導体層
43 n型ドレイン領域
44 n型ドリフト領域
45 p型ボディ領域
46 n型ソース領域
47 p型ボディコンタクト領域
48 (半導体層の)表面
55 ソース電極
56 (半導体層の)裏面
57 ドレイン電極
61 バイポーラトランジスタ
62 半導体層
63 n型コレクタ領域
64 n型領域
65 p型ベース領域
66 p型ベースコンタクト領域
67 n型エミッタ領域
68 (半導体層の)表面
72 ベース電極
73 エミッタ電極
74 (半導体層の)裏面
75 コレクタ電極
101 第1Al系電極
102 Al系酸化薄膜
103 第2Al系電極
104 めっき層
105 境界部
106 凹凸
107 Ni層
108 Au層
109 表面

Claims (20)

  1. 第1導電型半導体領域および当該第1導電型半導体領域に接合された第2導電型半導体領域を有する半導体層と、
    前記半導体層の一表面において前記第2導電型領域に接続され、第1Al系電極、第2Al系電極、前記第1Al系電極と前記第2Al系電極との間のAl系酸化薄膜、および前記第2Al系電極上のめっき層を有する表面電極とを含む、半導体装置。
  2. 前記第2Al系電極は、前記めっき層との境界部の少なくとも一部に微細な凹凸を有している、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第2Al系電極は、前記第1Al系電極よりも薄く形成されている、請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1Al系電極の厚さは、3.0μm〜5.0μmであり、前記第2Al系電極の厚さは、1.0μm〜2.0μmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記Al系酸化薄膜の厚さは、10Å〜40Åである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記めっき層の厚さは、2.0μm〜5.0μmである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第1Al系電極は、Al、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第2Al系電極は、Al、AlSi、AlCuおよびAlSiCuからなる群から選択される少なくとも一種からなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記Al系酸化薄膜は、酸化アルミニウムからなる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記めっき層は、少なくとも前記第2Al系電極に接する部分にNi層を有している、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体層は、SiまたはSiCからなる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体装置は、pnダイオードを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記半導体装置は、IGBTを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記半導体装置は、MISFETを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記半導体装置は、バイポーラトランジスタを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 第1導電型半導体領域および当該第1導電型半導体領域に接合された第2導電型半導体領域を有する半導体層の一表面に、前記第2導電型半導体領域に接続されるように第1Al系電極を形成する工程と、
    前記第1Al系電極上にAl系酸化薄膜を形成する工程と、
    前記Al系酸化薄膜上に第2Al系電極を形成する工程と、
    無電解めっきによって、前記第2Al系電極上にめっき層を形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
  17. 前記Al系酸化薄膜を形成する工程は、前記第1Al系電極の表面を酸化する工程を含む、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記第1Al系電極の表面を酸化する工程は、前記第1Al系電極を大気中で熱処理する工程を含む、請求項17に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記第2Al系電極の形成後、前記第2Al系電極をアニール処理する工程を含む、請求項16〜18のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記めっき層の形成に先立って、アルカリ系薬剤を用いて前記第2Al系電極の表面をエッチングする工程を含む、請求項16〜19のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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