特開 2023-180931 金属膜および金属膜の製造方法ならびに半導体装置および半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023180931

(43)【公開日】2023-12-21

(54)【発明の名称】金属膜および金属膜の製造方法ならびに半導体装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3205 20060101AFI20231214BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20231214BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20231214BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20231214BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20231214BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20231214BHJP

【ＦＩ】

H01L21/88 T

H01L21/285 301

H01L29/78 652M

H01L29/78 653A

H01L29/78 655B

H01L29/78 655A

H01L29/78 652Q

H01L29/78 658F

H01L29/78 655G

H01L21/60 301P

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022094618

(22)【出願日】2022-06-10

(71)【出願人】

【識別番号】302062931

【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山口 直

【テーマコード（参考）】

4M104

5F033

5F044

【Ｆターム（参考）】

4M104BB02

4M104BB04

4M104BB05

4M104BB18

4M104DD37

4M104GG06

4M104HH20

5F033HH07

5F033HH08

5F033HH09

5F033HH11

5F033HH15

5F033HH19

5F033PP15

5F033VV07

5F044EE04

5F044EE06

5F044EE11

(57)【要約】

【課題】ワイヤーボンディング時に高いクラック耐性（高硬度）を有する金属膜および金属膜の製造方法ならびに半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】金属膜ＭＦは、複数の第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４と、複数の第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５とを有している。複数の第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の各々は転位ＤＬを有している。複数の第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５の各々は、転位ＤＬを有しない。転位ＤＬを有する第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の個数は、転位ＤＬを有しない第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５の個数よりも多い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が転位を有する複数の第１金属結晶粒と、
転位を有しない第２金属結晶粒と、を備え、
前記第１金属結晶粒の個数が前記第２金属結晶粒の個数よりも多い、金属膜。

【請求項2】

アルミニウム、タングステン、銅、コバルトおよびニッケルよりなる群から選ばれる１種以上を含む材質よりなる、請求項１に記載の金属膜。

【請求項3】

複数の前記第１金属結晶粒の各々における前記転位の密度は６０個／μｍ²以上である、請求項１に記載の金属膜。

【請求項4】

前記第１金属結晶粒および前記第２金属結晶粒を含む複数の金属結晶粒の平均結晶粒径は１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載の金属膜。

【請求項5】

前記複数の金属結晶粒の平均結晶粒径は１．７μｍ以下である、請求項４に記載の金属膜。

【請求項6】

前記第１金属結晶粒と前記第２金属結晶粒とを含む複数の金属結晶粒の粒界に位置する第３金属結晶粒をさらに備え、
前記第３金属結晶粒は、前記第１金属結晶粒および前記第２金属結晶粒の各々とは異なる材質よりなる、請求項１に記載の金属膜。

【請求項7】

前記第１金属結晶粒および前記第２金属結晶粒の各々はアルミニウムを含む材質よりなり、
前記第３金属結晶粒はシリコンまたは銅を含む材質よりなる、請求項６に記載の金属膜。

【請求項8】

請求項１に記載の金属膜をボンディングパッドまたは配線として有する、半導体装置。

【請求項9】

複数の金属結晶粒を有する金属膜を形成する工程と、
前記金属膜に点欠陥を導入する工程と、
前記点欠陥の導入後に、前記複数の金属結晶粒が再結晶化するアニールを行なうことにより前記金属膜中に転位を発生させる工程と、を備えた、金属膜の製造方法。

【請求項10】

前記アニールにより、転位を有する複数の第１金属結晶粒と、転位を有しない第２金属結晶粒とが前記金属膜中に形成され、
前記第１金属結晶粒の個数が前記第２金属結晶粒の個数よりも多い、請求項９に記載の金属膜の製造方法。

【請求項11】

前記金属膜に前記点欠陥を導入する工程は、前記金属膜に金属イオンを注入する工程と前記金属膜に電子ビームを照射する工程との少なくとも１つの工程を含む、請求項９に記載の金属膜の製造方法。

【請求項12】

請求項９に記載の金属膜の製造方法により、前記金属膜をボンディングパッドまたは配線として形成する、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属膜および金属膜の製造方法ならびに半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２００７－１６５６６３号公報（特許文献１）においては、半導体ウエハの反りを低減するために導電性膜の上に応力緩和膜が形成される。導電性膜は、ゲートパッドまたはソースパッドとなるものであり、アルミニウム（Ａｌ）などから構成されている。導電性膜は、スパッタリングにより形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－１６５６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

アルミニウムのパッドには、ワイヤーボンディング時に高いクラック耐性（高硬度）が求められる。

【0005】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付の図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一の実施形態に係る金属膜によれば、転位を有する第１金属結晶粒の個数が、転位を有しない第２金属結晶粒の個数よりも多い。

【0007】

一の実施形態に係る半導体装置は、上記金属膜をボンディングパッドまたは配線として有する。

【0008】

一の実施形態に係る金属膜の製造方法によれば、金属膜に点欠陥が導入された後に、金属結晶粒が再結晶化するアニールが行なわれることにより金属膜中に転位が形成される。

【0009】

一の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、上記金属膜がボンディングパッドまたは配線として形成される。

【発明の効果】

【0010】

上記実施形態によれば、ワイヤーボンディング時に高いクラック耐性（高硬度）を有する金属膜および金属膜の製造方法ならびに半導体装置および半導体装置の製造方法が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態に係る金属膜の構成を示す断面図である。

【図2】図１に示す金属膜を有するＩＧＢＴ（Isolated Gate Bipolar Transistor）の構成を示す断面図である。

【図3】図２に示すＩＧＢＴを有する半導体パッケージの構成を示す断面図である。

【図4】一実施形態に係る金属膜の製造方法の第１工程を示す断面図である。

【図5】一実施形態に係る金属膜の製造方法の第２工程を示す断面図である。

【図6】一実施形態に係る金属膜の製造方法の第３工程を示す断面図である。

【図7】ワイヤーボンディングする領域に選択的にイオン注入を行なうためのフォトレジストマスクの構成を示す平面図である。

【図8】イオン注入を実施しない比較例に係る金属膜の断面の様子を示す図である。

【図9】アルミニウムをイオン注入した金属膜の断面の様子を示す図である。

【図10】シリコンをイオン注入した金属膜の断面の様子を示す図である。

【図11】イオン注入を実施せずにアニールした比較例に係る金属膜の断面の様子を示す図である。

【図12】アルミニウムをイオン注入した後にアニールした金属膜の断面の様子を示す図である。

【図13】シリコンをイオン注入した後にアニールした金属膜の断面の様子を示す図である。

【図14】イオン注入による金属膜の内部応力の緩和の程度を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また図面では、説明の便宜上、構成または製造方法を省略または簡略化している場合もある。

【0013】

なお本明細書における平面視とは、半導体基板の第１面ＦＳに対して直交する方向から見た視点を意味する。また平面形状とは、平面視における形状を意味する。また開口面積とは、平面視における開口の面積を意味する。

【0014】

＜金属膜の構成＞
まず本開示の一実施形態に係る金属膜の構成について図１を用いて説明する。

【0015】

図１に示されるように、金属膜ＭＦは、アルミニウム、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）よりなる群から選ばれる１種以上を含む材質よりなっている。金属膜ＭＦは、たとえばアルミニウムを含む材質であり、純アルミニウム、アルミニウムとシリコン（Ｓｉ）との合金、アルミニウムと銅との合金、またはアルミニウムとシリコンと銅との合金よりなっている。金属膜ＭＦは、たとえば１μｍ以上４μｍ以下の厚みを有している。

【0016】

金属膜ＭＦは、複数の金属結晶粒ＧＲを有している。複数の金属結晶粒ＧＲは、転位ＤＬを有する第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４と、転位ＤＬを有しない第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５とを含む。転位ＤＬを有する金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の個数は、転位ＤＬを有しない金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５の個数よりも多い。

【0017】

金属膜ＭＦは、互い対向する第１面ＦＳと、第２面ＳＳとを有している。複数の金属結晶粒ＧＲの各々は、第１面ＦＳから第２面ＳＳに向かって延びて第２面ＳＳに達している。複数の第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の各々における転位ＤＬの密度は６０個／μｍ²以上である。また複数の第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の各々における転位ＤＬの密度は７５個／μｍ²以上であってもよい。

【0018】

複数の金属結晶粒ＧＲの平均結晶粒径は１μｍ以上５μｍ以下である。複数の金属結晶粒ＧＲの平均結晶粒径は１．７μｍ以下であってもよい。金属膜ＭＦの硬度は、０．９６ＧＰａ以上である。また金属膜ＭＦの硬度は、１．１７ＧＰａ以上であってもよい。

【0019】

金属膜ＭＦは、第３金属結晶粒ＧＲＡを有していてもよい。第３金属結晶粒ＧＲＡは、金属結晶粒ＧＲの粒界ＧＢに位置している。第３金属結晶粒ＧＲＡは、金属膜ＭＦの第１面ＦＳおよび第２面ＳＳの双方から離れて配置されていてもよい。１つの粒界ＧＢに、１つの第３金属結晶粒ＧＲＡが位置していてもよく、また複数の第３金属結晶粒ＧＲＡが位置していてもよい。また複数の粒界ＧＢの各々に、第３金属結晶粒ＧＲＡが位置していてもよい。

【0020】

第３金属結晶粒ＧＲＡは、第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４および第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５とは異なる材質よりなっている。第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４および第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５の各々がアルミニウムを含む材質よりなる場合、第３金属結晶粒ＧＲＡはたとえばシリコンまたは銅を含む材質よりなっていてもよい。
＜半導体装置の構成＞
次に、本実施形態の金属膜ＭＦを有する半導体装置としてＩＧＢＴの構成を例に挙げて図２および図３を用いて説明する。

【0021】

図２に示されるように、半導体基板ＳＢに形成される電気素子は、たとえばＩＧＢＴである。ＩＧＢＴは、ｐ⁺コレクタ領域ＣＲと、ｎ⁺領域ＨＲと、ｎ^-ドリフト領域ＤＲＩと、ｐ型ベース領域ＢＲと、ｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮと、ｎ⁺エミッタ領域ＥＲと、ゲート電極ＧＥとを主に有している。

【0022】

ｐ⁺コレクタ領域ＣＲは、半導体基板ＳＢの第１主面ＦＭＳに配置されている。ｐ⁺コレクタ領域ＣＲ上（ｐ⁺コレクタ領域ＣＲに対して第２主面ＳＭＳ側）にｎ⁺領域ＨＲが配置されている。ｎ⁺領域ＨＲは、ｐ⁺コレクタ領域ＣＲとｐｎ接合を構成している。

【0023】

ｎ⁺領域ＨＲ上（ｎ⁺領域ＨＲに対して第２主面ＳＭＳ側）にｎ^-ドリフト領域ＤＲＩが配置されている。ｎ^-ドリフト領域ＤＲＩは、ｎ⁺領域ＨＲと接している。ｎ^-ドリフト領域ＤＲＩは、ｎ⁺領域ＨＲのｎ型不純物濃度よりも低いｎ型不純物濃度を有している。

【0024】

ｎ^-ドリフト領域ＤＲＩ上（ｎ^-ドリフト領域ＤＲＩに対して第２主面ＳＭＳ側）にｐ型ベース領域ＢＲが配置されている。ｐ型ベース領域ＢＲは、ｎ^-ドリフト領域ＤＲＩとｐｎ接合を構成している。

【0025】

ｐ型ベース領域ＢＲ上（ｐ型ベース領域ＢＲに対して第２主面ＳＭＳ側）にｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮおよびｎ⁺エミッタ領域ＥＲが配置されている。ｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮおよびｎ⁺エミッタ領域ＥＲの各々は、半導体基板ＳＢの第２主面ＳＭＳに配置されている。

【0026】

ｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮは、ｐ型ベース領域ＢＲと接している。ｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮは、ｐ型ベース領域ＢＲのｐ型不純物濃度よりも高いｐ型不純物濃度を有している。ｎ⁺エミッタ領域ＥＲは、ｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮおよびｐ型ベース領域ＢＲの各々とｐｎ接合を構成している。

【0027】

半導体基板ＳＢには、トレンチＴＲが設けられている。トレンチＴＲは、第２主面ＳＭＳからｎ⁺エミッタ領域ＥＲおよびｐ型ベース領域ＢＲの各々を貫通してｎ^-ドリフト領域ＤＲＩに達している。トレンチＴＲの内壁に沿ってゲート絶縁層ＧＩが配置されている。トレンチＴＲの内部はゲート電極ＧＥによって充填されている。ゲート電極ＧＥは、ゲート絶縁層ＧＩを介在してｐ型ベース領域ＢＲと対向している。これによりＩＧＢＴは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部を有している。

【0028】

層間絶縁層ＩＬのコンタクトホールＣＨを通じてｎ⁺エミッタ領域ＥＲおよびｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮの各々と電気的に接続されるようにエミッタ電極ＥＥが配置されている。エミッタ電極ＥＥは、バリアメタル層ＢＭと、金属膜ＭＦとを有している。バリアメタル層ＢＭは、コンタクトホールＣＨを通じてｎ⁺エミッタ領域ＥＲおよびｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮの各々と接している。また金属膜ＭＦは、バリアメタル層ＢＭと接している。

【0029】

半導体基板ＳＢの第１主面ＦＭＳにはコレクタ電極ＣＥが配置されている。コレクタ電極ＣＥは、ｐ⁺コレクタ領域ＣＲと接することによりｐ⁺コレクタ領域ＣＲと電気的に接続されている。

【0030】

図２に示されるＩＧＢＴのたとえば金属膜ＭＦとして、図１に示される金属膜ＭＦは用いられている。図２に示される金属膜ＭＦは、ＩＧＢＴにおいてエミッタパッド（ボンディングパッド）および配線として機能する。このため図１に示される金属膜ＭＦは、ボンディングパッドおよび配線として図２に示されるＩＧＢＴにて用いられる。また図１に示される金属膜ＭＦは、ＩＧＢＴにおいてゲートパッドなどの他のボンディングパッドおよび他の配線に用いられてもよい。

【0031】

また図１に示される金属膜ＭＦは、図２に示されるＩＧＢＴ以外に、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のソースパッド、ゲートパッドなどのボンディングパッドおよび配線に用いられてもよい。

【0032】

図３に示されるように、本実施形態に係る半導体装置ＳＤは、たとえば半導体チップＳＣが封止樹脂ＳＲＥで封止された半導体パッケージである。本実施の形態の半導体装置ＳＤは、チップ搭載部ＲＢと、半導体チップＳＣと、リード部ＲＤ１、ＲＤ２と、ボンディングワイヤＢＷ（ＢＷ１、ＢＷ２）と、封止樹脂ＳＲＥとを有している。

【0033】

半導体チップＳＣは、図２に示されるＩＧＢＴと金属膜ＭＦとを有している。半導体チップＳＣは、ＩＧＢＴのエミッタ領域ＥＲ（図２）に電気的に接続されるエミッタパッドＥＰと、ゲート電極ＧＥに電気的に接続されるゲートパッドＧＰとを有している。エミッタパッドＥＰおよびゲートパッドＧＰの各々は、図１に示される金属膜ＭＦにより構成されている。

【0034】

半導体チップＳＣは、チップ搭載部ＲＢ上にはんだＳＯＬを介在して搭載されている。リード部ＲＤ１、ＲＤ２の各々は、チップ搭載部ＲＢから離間して配置されている。ボンディングワイヤＢＷ１は、半導体チップＳＣのエミッタパッドＥＰとリード部ＲＤ１とを電気的に接続している。図の簡略化のため１本のボンディングワイヤＢＷ１のみが示されているが、複数のボンディングワイヤＢＷ１がエミッタパッドＥＰとリード部ＲＤ１との間に接続されていてもよい。ボンディングワイヤＢＷ２は、半導体チップＳＣのゲートパッドＧＰとリード部ＲＤ２とを電気的に接続している。

【0035】

封止樹脂ＳＲＥは、チップ搭載部ＲＢ、半導体チップＳＣ、リード部ＲＤ１、ＲＤ２、クリップ導電体ＣＣ、およびボンディングワイヤＢＷ（ＢＷ１、ＢＷ２）を封止している。封止樹脂ＳＲＥからチップ搭載部ＲＢおよびリード部ＲＤ１、ＲＤ２の各々の一部が露出している。封止樹脂ＳＲＥは、たとえば熱硬化性樹脂材料などからなり、フィラー（たとえばシリカ粒子からなるフィラー）などを含むこともできる。

【0036】

＜金属膜および半導体装置の製造方法＞
次に、本開示の一実施形態に係る金属膜および半導体装置の製造方法について図４～図６などを用いて説明する。

【0037】

図４に示されるように、アルミニウム、タングステン、銅、コバルトおよびニッケルよりなる群から選ばれる１種以上を含む材質よりなる金属膜ＭＦが形成される。金属膜ＭＦは、たとえばアルミニウムを含む材質から形成され、純アルミニウム、アルミニウムとシリコンとの合金、アルミニウムと銅との合金、またはアルミニウムとシリコンと銅との合金から形成される。

【0038】

金属膜ＭＦは、たとえばスパッタリングにより形成される。金属膜ＭＦは、たとえば１μｍ以上４μｍ以下の厚みで形成される。金属膜ＭＦは、複数の金属結晶粒ＧＲを有するように形成される。金属膜ＭＦの内部には、大きな内部応力が生じている。

【0039】

図５に示されるように、金属膜ＭＦに点欠陥として、たとえば空孔Ｖが導入される。金属膜ＭＦに導入された空孔Ｖは、金属膜ＭＦ内の大きな内部応力により拡散すると考えられる。

【0040】

空孔Ｖは、たとえば金属膜ＭＦに金属イオンをイオン注入することにより導入される。このイオン注入は、たとえば１×１０¹⁶ｃｍ^-2以上１×１０¹⁸ｃｍ^-2未満のドーズ量にて実施される。このイオン注入における注入エネルギは、たとえば１００ｋｅＶ以上であるが、注入深さなどに応じて適宜変更可能である。イオン注入される金属イオンは、たとえばアルミニウム、シリコン、銅、タングステン、コバルトおよびニッケルのいずれか１つまたは任意の組み合わせである。

【0041】

空孔Ｖは、たとえば金属膜ＭＦに電子ビームを照射することによって導入されてもよい。また空孔Ｖは、イオン注入と電子ビームの照射との組合せにより金属膜ＭＦに導入されてもよい。

【0042】

図６に示されるように、点欠陥（空孔Ｖ）の導入後に、金属膜ＭＦにアニールが実施される。このアニールは、たとえば不活性ガスの雰囲気において、３００℃以上４００℃以下の加熱温度において２時間未満の加熱時間にて実施される。アニールにより、金属膜ＭＦの複数の金属結晶粒ＧＲが再結晶化する。金属結晶粒ＧＲの再結晶により金属膜ＭＦ中に転位ＤＬが発生する。

【0043】

上記アニールにより金属膜ＭＦが塑性変形するが、その塑性変形が点欠陥（空孔Ｖ）により加速されることにより一部の金属結晶粒に空孔が集まり転位ＤＬが発生すると考えられる。

【0044】

これにより複数の金属結晶粒ＧＲの中に転位ＤＬを有する第１金属結晶粒ＧＲ１２、ＧＲ１３と、転位ＤＬを有しない第２金属結晶粒ＧＲ１１とが生じる。また転位ＤＬを有する第１金属結晶粒ＧＲ１２、ＧＲ１３の個数が、転位ＤＬを有しない第２金属結晶粒ＧＲ１１の個数よりも多くなる。

【0045】

本実施形態の金属膜ＭＦは上記の工程により製造される。
なお図５のイオン注入において、たとえばアルミニウムを含む材質よりなる金属膜ＭＦにシリコンなどが注入される。この場合、注入されたシリコンなどはイオン注入時の熱および注入エネルギにより拡散する。拡散したシリコンなどは、図１に示されるように金属結晶粒ＧＲの粒界ＧＢに拡散して第３金属結晶粒ＧＲＡとして析出する。

【0046】

また図５に示されるイオン注入は金属膜ＭＦの表面全体に行なわれてもよく、また金属膜ＭＦの一部の領域にのみ行なわれてもよい。イオン注入は、たとえば金属膜ＭＦにボンディングワイヤＢＷが接続される箇所に選択的に行なわれてもよい。

【0047】

この場合、図７に示されるように、金属膜ＭＦ上にフォトレジストマスクＰＭが形成された状態でイオン注入が行なわれる。このフォトレジストマスクＰＭは、金属膜ＭＦの表面を露出する複数の開口ＰＲＡを有している。複数の開口ＰＲＡの各々は、たとえば矩形の平面形状を有している。複数の開口ＰＲＡの各々は、たとえば円形の平面形状を有していてもよい。複数の開口ＰＲＡの各々の開口面積は、互いに同じであってもよく、互いに異なっていてもよい。

【0048】

開口ＰＲＡによって露出される金属膜ＭＦの表面がボンディングワイヤＢＷが接続される箇所である。このようにボンディングワイヤＢＷが接続される箇所に少なくともイオン注入を実施した後に上記アニールを実施することにより、ボンディングワイヤＢＷが接続される箇所を局所的に硬化させることができ、クラック耐性を向上させることができる。

【0049】

このようにイオン注入を選択的に行なう場合、イオン注入が選択的に実施された金属膜ＭＦの領域内において、転位ＤＬを有する金属結晶粒の個数は、転位ＤＬを有しない金属結晶粒の個数よりも多い。一方、金属膜ＭＦの全面にイオン注入が実施された場合、金属膜ＭＦの全体において、転位ＤＬを有する金属結晶粒の個数は、転位ＤＬを有しない金属結晶粒の個数よりも多い。

【0050】

また本実施形態の金属膜ＭＦの製造方法を用いて図２に示される半導体装置が製造される。たとえば本実施形態の金属膜ＭＦをボンディングパッドまたは配線として形成することにより、図２に示される半導体装置が製造される。

【0051】

具体的には、図２に示されるように、半導体基板ＳＢにたとえばＩＧＢＴが形成される。ＩＧＢＴの形成後、半導体基板ＳＢの第２主面ＳＭＳ上に、層間絶縁層ＩＬが形成される。層間絶縁層ＩＬには、写真製版技術およびエッチング技術によりコンタクトホールＣＨが形成される。コンタクトホールＣＨは、ｎ⁺エミッタ領域ＥＲおよびｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮの各々の表面を露出するように形成される。また図には示していないが、ゲート電極ＧＥの一部を露出するコンタクトホールも層間絶縁層ＩＬに形成される。

【0052】

コンタクトホールＣＨを通じてｎ⁺エミッタ領域ＥＲおよびｐ⁺コンタクト領域ＣＯＮの各々に接するように層間絶縁層ＩＬ上にバリアメタル層ＢＭが形成される。またコンタクトホールを通じてゲート電極ＧＥに接するバリアメタル層も形成される。バリアメタル層ＢＭに接するように、配線およびボンディングパッド（エミッタパッドまたはゲートパッド）となる金属膜ＭＦが形成される。この金属膜ＭＦは、図４～図６に示される方法で製造される金属膜ＭＦである。

【0053】

＜効果＞
次に、本実施形態の効果について、本開示の発明者が見出した知見と共に説明する。

【0054】

まず本開示の発明者は、アルミニウム・銅（ＡｌＣｕ）よりなる金属膜ＭＦをスパッタリングにより成膜し、金属膜ＭＦにイオン注入を実施しない試料と実施した試料とを作成し、それらの断面を観察した。

【0055】

その結果、図８に示されるようにイオン注入を実施しない試料では密集した点欠陥は確認されなかった。それに対して図９に示されるように注入エネルギ１００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件でアルミニウムをイオン注入した試料では、金属膜ＭＦの表面から３００ｎｍ～４００ｎｍの深さ（点線ＤＯＬ）まで密集した点欠陥が確認された。また図１０に示されるように注入エネルギ１００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件でシリコンをイオン注入した試料でも、金属膜ＭＦの表面から３００ｎｍ～４００ｎｍの深さ（点線ＤＯＬ）まで密集した点欠陥が確認された。

【0056】

また本開示の発明者は、アルミニウム・銅よりなる金属膜ＭＦにイオン注入を実施しない試料と実施した試料との各々にアニールを実施して、それらの断面を観察した。アニールは、不活性ガスの雰囲気において、３００℃以上４００℃以下の加熱温度において２時間未満の加熱時間にて実施された。

【0057】

その結果、図１１に示されるように、イオン注入を実施しない試料においては、転位は観察されるものの、転位の発生した金属結晶粒の個数は極めて少ないことが分かった。一方、図１２に示されるように注入エネルギ１８０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件でアルミニウムをイオン注入した試料では、多くの金属結晶粒において転位が発生しており、イオン注入を実施しない試料よりも転位密度が高くなることが分かった。また図１３に示されるように注入エネルギ１８０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件でシリコンをイオン注入した試料でも、多くの金属結晶粒において転位が発生しており、イオン注入を実施しない試料よりも転位密度が高くなることが分かった。さらに図１２および図１３に示されるようなイオン注入を実施した試料では、転位を有する金属結晶粒の個数は転位を有しない金属結晶粒の個数よりも多くなることも分かった。

【0058】

また本開示の発明者は、金属膜ＭＦへのイオン注入の有無と応力の緩和とについて調べた。その結果を図１４に示す。

【0059】

図１４の結果から、金属膜ＭＦにイオン注入を実施しない比較例の試料よりも、イオン注入を実施した試料１、２の方が反りが小さくなり、金属膜ＭＦ中の内部応力が緩和されることが分かった。特にアニール後の試料２における反りは、アニール後の比較例の試料における反りの３４％小さくなることが分かった。

【0060】

なお試料１、試料２および比較例のいずれも、２５０℃の温度でスパッタリングにより１μｍの厚みで成膜されたアルミニウムよりなる金属膜ＭＦである。また試料１は、注入エネルギ１８０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件でアルミニウムをイオン注入した試料である。また試料２は、注入エネルギ１８０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件でシリコンをイオン注入した試料である。またアニールは、不活性ガス雰囲気にて４００℃の加熱温度において３０分の加熱時間にて実施された。

【0061】

また本開示の発明者は、図１４のアニール後の試料１、試料２および比較例における転位密度と硬度とについて調べた。その結果、比較例の試料では転位密度が２８個／μｍ²で、硬度が０．９２ＧＰａであった。これに対し、試料１では転位密度が６０個／μｍ²で、硬度が０．９６ＧＰａであった。また試料２では転位密度が７５個／μｍ²で、硬度が１．１７ＧＰａであった。

【0062】

また本開示の発明者は、再結晶化のためのアニールを実施した金属膜ＭＦの結晶配向性および抵抗が、イオン注入を実施しない金属膜の結晶配向性および抵抗と同等となり実用上も問題ないことを確認した。

【0063】

なお転位密度は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で金属膜ＭＦの断面を観察して転位の個数を数えることにより求められる。また結晶粒径は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で金属膜ＭＦを上から観察することにより結晶粒の面積を求め、その面積に対応する真円の直径を算出することにより求められる。

【0064】

以上より本開示の発明者は、金属膜ＭＦ中に金属イオンを注入して点欠陥（空孔Ｖ）を導入した後、再結晶化のアニールを実施することにより金属膜ＭＦ中に高密度の転位が発生することを見出した。高密度の転位が発生した理由は、金属膜ＭＦがアニールにより塑性変形するが、導入された点欠陥（空孔Ｖ）がその塑性変形を加速させるとともに、一部の結晶粒に集まったことによるものと考えられる。また本開示の発明者は、高密度の転位により金属膜ＭＦが硬化して高強度となることで、ワイヤボンディングのクラック耐性が向上することを見出した。

【0065】

本実施形態においては、転位ＤＬを有する複数の第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の個数が、転位ＤＬを有しない第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５の個数よりも多い。このため金属膜ＭＦは高強度となり、ワイヤボンディングのクラック耐性が向上する。

【0066】

また本実施形態においては、金属膜ＭＦは、アルミニウム、タングステン、銅、コバルトおよびニッケルよりなる群から選ばれる１種以上を含む材質よりなる。これにより配線およびボンディングパッドに金属膜ＭＦを適用することができる。なお金属膜ＭＦにアルミニウムを含む材質を用いることにより、ワイヤーボンディングにおいてさらに高いクラック耐性を得ることができる。

【0067】

また本実施形態においては、複数の第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４の各々における転位ＤＬの密度は６０個／μｍ²以上である。これにより、ワイヤボンディングにおいてクラックが生じにくくなる。

【0068】

また本実施形態においては、第１金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４および第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５を含む複数の金属結晶粒ＧＲの平均結晶粒径は１μｍ以上５μｍ以下である。平均結晶粒径が１μｍ未満であると、粒界が多くなりエレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性が低くなる。また平均結晶粒径が５μｍを超えると、硬度が低下する。

【0069】

また本実施形態においては、複数の金属結晶粒ＧＲの平均結晶粒径は１．７μｍ以下である。これにより硬度が向上する。

【0070】

また本実施形態においては図１に示されるように、第３金属結晶粒ＧＲＡが金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４および第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５を含む複数の金属結晶粒ＧＲの粒界ＧＢに位置する。このように粒界ＧＢに第３金属結晶粒ＧＲＡが位置することにより、金属膜ＭＦ中の金属元素が動きにくくなる。これによりエレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性が向上する。

【0071】

また本実施形態においては、金属結晶粒ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４および第２金属結晶粒ＧＲ１、ＧＲ５の各々はアルミニウムを含む材質よりなり、第３金属結晶粒ＧＲＡはシリコンまたは銅を含む材質よりなる。これにより第３金属結晶粒ＧＲＡを、複数の金属結晶粒ＧＲの粒界に析出させることができる。

【0072】

また本実施形態においては図５に示されるように金属膜ＭＦに点欠陥（空孔Ｖ）が導入された後に、図６に示されるように複数の金属結晶粒ＧＲが再結晶化するアニールを行なうことにより金属膜ＭＦ中に転位ＤＬが発生させられる。これにより高密度の転位を発生させることが可能となるため、金属膜ＭＦは高強度となり、ワイヤボンディングのクラック耐性が向上する。

【0073】

また本実施形態においては、金属膜ＭＦに点欠陥（空孔Ｖ）を導入する工程は、金属膜ＭＦに金属イオンを注入する工程と金属膜ＭＦに電子ビームを照射する工程との少なくとも１つの工程を含む。これにより金属膜ＭＦに点欠陥（空孔Ｖ）を導入することができる。

【0074】

またアルミニウムの配線には、パワーデバイスで大電流が流れるときに高いエレクトロマイグレーション耐性とストレスマイグレーション耐性とが求められる。従来のスパッタリングで成膜されるアルミニウム膜では、クラック耐性と、エレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性との両立は難しい。

【0075】

しかしながら本実施形態によれば、上記のように、クラック耐性と、エレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性との両立が容易である。

【0076】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0077】

ＢＭ バリアメタル層、ＢＲ ｐ型ベース領域、ＢＷ，ＢＷ１，ＢＷ２ ボンディングワイヤ、ＣＥ コレクタ電極、ＣＨ コンタクトホール、ＣＬ 導電層、ＣＯＮ コンタクト領域、ＣＲ コレクタ領域、ＤＬ 転位、ＤＯＬ 点線、ＤＲＩ ｎ^-ドリフト領域、ＥＰ エミッタパッド、ＥＲ ｎ⁺エミッタ領域、ＦＭＳ 第１主面、ＦＳ 第１面、ＧＥ ゲート電極、ＧＩ ゲート絶縁層、ＧＰ ゲートパッド、ＧＲ 金属結晶粒、ＧＲ１，ＧＲ５ 第２金属結晶粒、ＧＲ２，ＧＲ３，ＧＲ４ 第１金属結晶粒、ＧＲＡ 第３金属結晶粒、ＨＲ ｎ⁺領域、ＩＬ 層間絶縁層、ＭＦ 金属膜、ＰＭ フォトレジストマスク、ＰＲＡ 開口、ＲＢ チップ搭載部、ＲＤ１，ＲＤ２ リード部、ＳＢ 半導体基板、ＳＣ 半導体チップ、ＳＤ 半導体装置、ＳＭＳ 第２主面、ＳＲＥ 封止樹脂、ＳＳ 第２面、ＴＲ トレンチ、Ｖ 空孔。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】