特許 6993946 半導体素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-14

(45)【発行日】2022-01-14

(54)【発明の名称】半導体素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/28 20060101AFI20220106BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20220106BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20220106BHJP

【ＦＩ】

H01L21/28 301R

H01L29/78 655A

H01L29/78 653C

H01L29/78 652Q

H01L29/78 652L

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018154586

(22)【出願日】2018-08-21

(65)【公開番号】P2020031095

(43)【公開日】2020-02-27

【審査請求日】2020-09-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100157901

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 達哲

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】谷口 智洋

【審査官】佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１００４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４７３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０４６０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－０３０３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１３４８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０６７０５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１５３３６４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体層と、
前記半導体層上に設けられ、前記半導体層に接した第１金属領域と、前記第１金属領域の上に設けられた第２金属領域と、前記半導体層から前記第２金属領域に向かう方向における前記第１金属領域および前記第２金属領域のトータル厚よりも厚い前記方向の厚さを有し、前記第２金属領域の上に設けられた第３金属領域と、を含む金属電極と、
を備え、
前記第２金属領域は、前記第１金属領域の主成分である金属元素よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とし、
前記第１金属領域は、アルミニウム（Ａｌ）もしくはチタニウム（Ｔｉ）を主成分として含み、
前記第２金属領域は、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）もしくはカルシウム（Ｃａ）のいずれかを主成分として含む半導体素子。

【請求項2】

前記第３金属領域の主成分である金属元素は、前記第２金属領域の主成分である金属元素とは異なる請求項１記載の半導体素子。

【請求項3】

前記第１金属領域の主成分である金属元素は、前記第３金属領域の主成分である前記金属元素と同じである請求項２記載の半導体素子。

【請求項4】

前記第１金属領域の金属密度は、前記第３金属領域の金属密度よりも高い請求項３記載の半導体素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体素子に関する。

【背景技術】

【0002】

高電圧、大電流を制御する半導体装置は、２つの電極板間に複数の半導体素子を配置し、電極板を半導体素子に圧接する構成を有するものがある。このような半導体装置に用いられる半導体素子は、電極板から加わる圧力の集中を緩和するために、厚膜の金属電極を有することが好ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開昭５９－４６０４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態は、電気抵抗が低い厚膜の電極を備えた半導体素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る半導体素子は、半導体層と、金属電極と、を備える。前記金属電極は、前記半導体層上に設けられ、前記半導体層に接した第１金属領域と、前記第１金属領域の上に設けられた第２金属領域と、前記第２金属領域の上に設けられた第３金属領域と、を含む。前記第２金属領域は、前記第１金属領域の主成分である金属元素よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とする。前記第１金属領域は、アルミニウム（Ａｌ）もしくはチタニウム（Ｔｉ）を主成分として含み、前記第２金属領域は、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）もしくはカルシウム（Ｃａ）のいずれかを主成分として含む。前記第３金属領域は、前記半導体層から前記第２金属領域に向かう方向における前記第１金属領域および前記第２金属領域のトータル厚よりも厚い前記方向の厚さを有する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る半導体素子を示す模式断面図である。

【図2】実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。

【図3】実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。

【図4】実施形態に係る半導体素子の製造過程を示す模式断面図である。

【図5】実施形態に係る半導体素子の特性を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

【0008】

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

【0009】

図１は、実施形態に係る半導体素子（以下、半導体チップ１）を示す模式断面図である。半導体チップ１は、例えば、ＩＧＢＴ（Gate Insulated Bipolar Transistor）である。半導体チップ１は、例えば、電力制御用のスイッチング素子として用いられる。

【0010】

図１に示すように、半導体チップ１は、Ｎ形ベース層１０と、Ｎ形ベース層１０の上面１０Ｔ側に設けられたＭＯＳ構造２０と、を含む。また、半導体チップ１は、Ｎ形ベース層１０の下方に設けられたＰ形コレクタ層４０と、Ｎ形バッファ層４５と、を含む。

【0011】

Ｎ形ベース層１０は、例えば、Ｎ形シリコン層である。ＭＯＳ構造２０は、Ｐ形ベース層２１と、Ｎ形エミッタ層２３と、ゲート電極２５と、を含む。ゲート電極２５は、例えば、Ｎ形エミッタ層２３の上面からＮ形ベース層１０に至る深さを有するゲートトレンチ中に設けられ、ゲート絶縁膜を介してＰ形ベース層２１に向き合う。

【0012】

Ｎ形バッファ層４５は、Ｎ形ベース層１０とＰ形コレクタ層４０との間に設けられる。Ｎ形バッファ層４５は、Ｎ形ベース層１０のＮ形不純物濃度よりも高濃度のＮ形不純物を含む。

【0013】

半導体チップ１は、エミッタ電極３０と、ゲートパッド３５と、コレクタ電極５０と、をさらに含む。

【0014】

エミッタ電極３０は、Ｎ形エミッタ層２３およびゲート電極２５の上方に設けられる。エミッタ電極３０は、Ｎ形エミッタ層２３に接する。また、エミッタ電極３０は、Ｐ形コンタクト層２７を介してＰ形ベース層２１に接続される。Ｐ形コンタクト層２７は、例えば、Ｎ形エミッタ層２３中に設けられ、Ｐ形ベース層２１に接する。

【0015】

ゲートパッド３５は、絶縁膜３３を介してＮ形ベース層１０の上方に設けられる。ゲートパッド３５は、絶縁膜３３によりＮ形ベース層１０、Ｐ形ベース層２１、Ｎ形エミッタ層２３およびＰ形コンタクト層２７から電気的に絶縁される。また、ゲートパッド３５は、図示しない部分でゲート電極２５に接続される。

【0016】

コレクタ電極５０は、Ｎ形ベース層１０の裏面１０Ｂの下方に設けられる。Ｐ形コレクタ層４０は、Ｎ形バッファ層４５とコレクタ電極５０との間に位置し、コレクタ電極５０に接する。

【0017】

コレクタ電極５０は、第１金属領域５０Ａと、第２金属領域５０Ｂと、第３金属領域５０Ｃと、を含む。第１金属領域５０Ａは、Ｐ形コレクタ層４０に接し、Ｐ形コレクタ層４０に沿ってＸ方向およびＹ方向に広がる。第１金属領域５０Ａは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくはチタニウム（Ｔｉ）を主成分として含む。

【0018】

第２金属領域５０Ｂは、第１金属領域５０Ａと第３金属領域５０Ｃとの間に設けられる。第２金属領域５０Ｂは、第１金属領域５０Ａの主成分である金属元素よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とする。第２金属領域５０Ｂは、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれかを主成分として含む。第２金属領域５０Ｂは、１４００℃以下の温度領域における酸化物の標準生成自由エネルギーが第１金属領域５０Ａの主成分である金属元素よりも大きい金属元素を主成分として含む。

【0019】

第３金属領域５０Ｃは、第１金属領域５０Ａおよび第２金属領域５０ＢのＺ方向のトータル厚よりも厚いＺ方向の厚さを有するように設けられる。第３金属領域５０Ｃは、例えば、３マイクロメートル（μｍ）以上、２５μｍ以下のＺ方向の厚さを有する。

【0020】

第３金属領域５０Ｃは、第１金属領域５０Ａの主成分である金属元素と同じ金属元素を主成分として含んでも良い。例えば、第１金属領域５０Ａは、アルミニウム（Ａｌ）を主成分として含み、第３金属領域５０Ｃも、アルミニウム（Ａｌ）を主成分として含む。

【0021】

また、第３金属領域５０Ｃは、第２金属領域５０Ｂの主成分である金属元素と同じ金属元素を含んでも良い。例えば、第１金属領域５０Ａは、チタニウム（Ｔｉ）を主成分として含み、第２金属領域５０Ｂおよび第３金属領域５０Ｃは、アルミニウム（Ａｌ）を主成分として含む。例えば、第１金属領域５０Ａは、チタニウムもしくはチタニウム化合物であり、第２金属領域５０Ｂは、アルミニウム合金であり、第３金属領域５０Ｃは、アルミニウムである。また、第２金属領域５０Ｂおよび第３金属領域５０Ｃは、一体に形成されても良い。

【0022】

図２は、実施形態に係る半導体装置１００を示す模式断面図である。電力変換用のインバータおよびコンバータなどの機器は、所定の耐圧が得られるように、例えば、複数の半導体装置１００を積層して構成される。

【0023】

図２に示すように、半導体装置１００は、半導体チップ１と、第１電極板６０と、第２電極板７０と、を含む。第１電極板６０と第２電極板７０との間に、複数の半導体チップ１が配置される。複数の半導体チップ１は、第１電極板６０および第２電極板７０に並列接続される。第１電極板６０には、例えば、半導体チップ１のコレクタ電極５０が接続される。第２電極板７０には、半導体チップ１のエミッタ電極３０が接続される。

【0024】

図２に示すように、半導体チップ１と第２電極板７０との間には、金属スペーサ７５が配置される。金属スペーサ７５は、半導体チップ１のエミッタ電極３０に接続される。また、金属スペーサ７５は、半導体チップ１と第２電極板７０との間に、ゲート配線７７を配置するスペースを確保できるＺ方向の厚さを有する。ゲート配線７７は、半導体チップ１のゲートパッド３５（図１参照）に接続される。

【0025】

半導体装置１００では、例えば、第２電極板７０の上方から加えられる圧力により、第１電極板６０および第２電極板７０に半導体チップ１および金属スペーサ７５を圧接させる構成を有する。例えば、半導体チップ１の物理的な破壊（割れや欠け）を回避するために、コレクタ電極５０は、例えば、５μｍ以上、１５μｍ以下のＺ方向の厚さを有する柔らかい（硬度の低い）金属である。すなわち、加圧時にコレクタ電極５０が変形し、半導体チップ１と第１電極板６０との間の局部的な圧力集中を緩和することができる。同様に、エミッタ電極３０に接する金属スペーサ７５も柔らかい金属材料であることが好ましい。

【0026】

次に、図３、図４（ａ）～（ｃ）および図５を参照して、実施形態に係る半導体チップ１の製造方法を説明する。図３は、半導体チップ１の製造方法を示すフローチャートである。図４（ａ）～（ｃ）は、半導体チップ１の製造過程を示す模式断面図である。図５は、半導体チップ１の特性を示す模式断面図である。

【0027】

図３のステップＳ０１に示すように、半導体ウェーハＳＷ（図４（ａ）参照）の表面にＭＯＳ構造２０を形成する。半導体ウェーハＳＷは、例えば、Ｎ形シリコンウェーハである。半導体ウェーハＳＷは、シリコンウェーハに限定される訳ではなく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）などを材料とするものでも良い。また、ＭＯＳ構造は、図１に示したトレンチゲート型構造に限定される訳ではなく、プレーナーゲート型構造であっても良い。

【0028】

続いて、エミッタ電極３０およびゲートパッド３５を形成した後、半導体ウェーハＳＷの裏面を研削、研磨もしくはエッチングし、所定の厚さにする（Ｓ０２）。

【0029】

さらに、半導体ウェーハＳＷの裏面側に、Ｐ形コレクタ層４０およびＮ形バッファ層４５を形成する（Ｓ０３）。Ｐ形コレクタ層４０およびＮ形バッファ層４５は、例えば、半導体ウェーハＳＷの裏面にＰ形不純物およびＮ形不純物をイオン注入することにより形成される。

【0030】

次に、半導体ウェーハＳＷの裏面上に第１金属層５１を形成する（Ｓ０４）。
図４（ａ）に示すように、第１金属層５１は、Ｐ形コレクタ層４０の上に形成される。第１金属層５１は、例えば、スパッタ法を用いて形成される。第１金属層５１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属層である。また、第１金属層５１は、半導体ウェーハを構成する元素を含んでも良い。例えば、第１金属層５１は、シリコン（Ｓｉ）を含む。第１金属層５１は、例えば、コンタクトアニール時の温度におけるアルミニウムに対するシリコンの固溶限界もしくはそれ以上の割合でシリコンを含むことが好ましい。

【0031】

続いて、第１金属層５１の上に第２金属層５３および第３金属層５５を順に形成する（Ｓ０５）。第２金属層５３および第３金属層５５は、例えば、蒸着法を用いて形成される。第２金属層５３は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする金属層である。第３金属層は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属層である。

【0032】

図４（ｂ）に示すように、第１金属層５１の上に第２金属層５３を形成する。この際、第１金属層５１の表面に自然酸化膜５７が形成されている場合がある。

【0033】

例えば、第１金属層５１の主成分であるアルミニウムが酸化された場合、第１金属層５１の表面には絶縁膜である酸化アルミニウム膜が形成される。第２金属層５３は、アルミニウムよりも酸化物生成の標準自由エネルギーが大きいマグネシウムを主成分とする金属層である。このため、第２金属層５３を構成するマグネシウムの蒸着が開始され、第１金属層に付着する共に、自然酸化膜５７が還元され始める。

【0034】

図４（ｃ）に示すように、第２金属層５３を形成した後、第３金属層５５を連続して形成する。例えば、第３金属層５５を形成する過程において、第１金属層５１と第２金属層５３との間に位置する自然酸化膜５７は還元され、第１金属層５１と第２金属層５３との間の電気抵抗が低減される。これにより、低抵抗のコレクタ電極５０を得ることができる。

【0035】

続いて、熱処理により半導体ウェーハＳＷ（Ｐ形コレクタ層４０）と第１金属層５１との間のオーミックコンタクトを形成する（Ｓ０６）。
例えば、第３金属層５５が高純度のアルミニウム層であり、第２金属層５３を設けない場合には、熱処理の過程において第１金属層５１から第３金属層５５へシリコン原子が拡散する。その結果、アルミニウムを主成分とする第１金属層５１中のシリコン原子の割合が低下し、半導体ウェーハＳＷと第１金属層５１中のアルミニウムの合金化反応が進む。この過程において、第１金属層５１の主成分と同じ金属を主成分とするスパイク状の突起が、半導体ウェーハＳＷと第１金属層５１の界面に形成される。この突起は、例えば、Ｐ形コレクタ層４０を突き抜けてＮ形バッファ層４５に達する場合があり、半導体チップ１の特性を劣化させる。

【0036】

図５に示すように、第２金属層５３を設けることにより、第１金属層５１から第３金属層５５へのシリコン原子の拡散を抑制することができる。すなわち、第１金属層５１におけるシリコン原子の割合を維持し、半導体ウェーハＳＷと第１金属層５１中のアルミニウムの合金化反応を抑制することができる。これにより、半導体ウェーハＳＷと第１金属層５１との界面を均一に形成し、製造歩留りを向上させることができる。

【0037】

上記の通り、本実施形態に係る半導体素子の製造方法では、スパッタ法を用いて第１金属層５１を形成し、その後、蒸着法を用いて第２金属層５３および第３金属層５５を形成する。例えば、スパッタ法は、所望の組成を有する金属層を再現性良く形成することが可能であり、半導体ウェーハＳＷと第１金属層５１との間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができる。しかしながら、スパッタ法により厚い金属層を形成するには、長時間を要し、製造効率の点から現実的ではない。このため、第２金属層５３および第３金属層５５は、厚い金属層の形成に適した蒸着法を用いて形成される。

【0038】

また、蒸着法を用いて形成される第３金属層５５の密度は、スパッタ法を用いて形成され、同じ金属元素を主成分とする第１金属層５１よりも低い金属密度を有する。例えば、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属層を用いる場合、スパッタ法を用いて形成された第１金属層５１の方が、蒸着法を用いて形成された第３金属層５５よりも３％以上大きい金属密度を有する。金属密度は、例えば、透過Ｘ線を用いて測定される。

【0039】

一方、第１金属層５１と第２金属層５３を連続的に形成せず、第１金属層５１を形成した後、半導体ウェーハＳＷを外気に晒した場合、第１金属層５１の表面には自然酸化膜５７が形成され、第１金属層５１とその上に形成される金属層との間の電気抵抗が大きくなる。本実施形態では、第１金属層５１の主成分である金属元素よりも酸化物生成の標準自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とする第２金属層５３を形成することにより、自然酸化膜５７を還元し、電気的に低抵抗のコレクタ電極５０を形成することができる。

【0040】

また、第１金属層５１としてチタニウム（Ｔｉ）を用いた場合には、第２金属層５３としてアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属層を形成する。これにより、第１金属層５１の表面に形成される酸化チタニウムを還元し、低抵抗のコレクタ電極５０を得ることができる。また、チタニウムを主成分とする第１金属層５１の上に、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、のいずれかを主成分とする第２金属層５３を形成しても良い。

【0041】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0042】

１…半導体チップ、 １０…Ｎ形ベース層、 １０Ｂ…裏面、 １０Ｔ…上面、 ２０…ＭＯＳ構造、 ２１…Ｐ形ベース層、 ２３…Ｎ形エミッタ層、 ２５…ゲート電極、 ２７…Ｐ形コンタクト層、 ３０…エミッタ電極、 ３３…絶縁膜、 ３５…ゲートパッド、 ４０…Ｐ形コレクタ層、 ４５…Ｎ形バッファ層、 ５０…コレクタ電極、 ５０Ａ…第１金属領域、 ５０Ｂ…第２金属領域、 ５０Ｃ…第３金属領域、 ５１…第１金属層、 ５３…第２金属層、 ５５…第３金属層、 ５７…自然酸化膜、 ６０…第１電極板、 ７０…第２電極板、 ７５…金属スペーサ、 ７７…ゲート配線、 １００…半導体装置、 ＳＷ…半導体ウェーハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】