JP2019110248A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a semiconductor device.
特許文献1には、半導体基板の表面を覆う表面電極を備える半導体装置が開示されている。この表面電極は、下部金属膜と、下部金属膜の表面を覆う高強度金属膜と、高強度金属膜の表面を覆う上部金属膜を有する。この構成によれば、ワイヤーボンディングによる半導体基板へのダメージを抑制することができる。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device provided with a surface electrode covering the surface of a semiconductor substrate. The surface electrode has a lower metal film, a high strength metal film covering the surface of the lower metal film, and an upper metal film covering the surface of the high strength metal film. According to this configuration, damage to the semiconductor substrate due to the wire bonding can be suppressed.
特許文献1の構造では、半導体装置が温度変化する際に、表面電極を構成する各金属膜の線膨張係数の差によって、各金属膜に高い応力が加わる。その結果、金属膜の内部に空洞が生じる場合がある。このような状態で表面電極にクラックが生じると、空洞を通じてクラックが進展し易くなり、クラックが半導体基板まで達する虞がある。本明細書では、表面電極に生じる空洞を低減することができる技術を提供する。 In the structure of Patent Document 1, when the temperature of the semiconductor device changes, high stress is applied to each metal film due to the difference in the linear expansion coefficient of each metal film constituting the surface electrode. As a result, a cavity may be generated inside the metal film. If a crack is generated in the surface electrode in such a state, the crack is likely to progress through the cavity, and the crack may reach the semiconductor substrate. The present specification provides a technique capable of reducing the cavities generated in the surface electrode.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆う表面電極、を有する。前記表面電極が、第1金属膜と、第2金属膜と、第3金属膜を有する。前記第1金属膜は、前記半導体基板の前記表面を覆っている。前記第2金属膜は、前記第1金属膜の表面を覆っており、前記第1金属膜の前記表面に達する貫通孔を有しており、前記第1金属膜よりも低い線膨張係数を有する。前記第3金属膜は、前記第2金属膜の表面と前記貫通孔内の前記第1金属膜の前記表面を覆っており、前記第2金属膜よりも高い線膨張係数を有する。前記第1金属膜と前記第3金属膜の線膨張係数の差は、前記第1金属膜と前記第2金属膜の線膨張係数の差及び前記第2金属膜と前記第3金属膜の線膨張係数の差よりも小さい。 A semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate and a surface electrode covering a surface of the semiconductor substrate. The surface electrode includes a first metal film, a second metal film, and a third metal film. The first metal film covers the surface of the semiconductor substrate. The second metal film covers the surface of the first metal film, has a through hole reaching the surface of the first metal film, and has a linear expansion coefficient lower than that of the first metal film. . The third metal film covers the surface of the second metal film and the surface of the first metal film in the through hole, and has a linear expansion coefficient higher than that of the second metal film. The difference between the linear expansion coefficients of the first metal film and the third metal film is the difference between the linear expansion coefficients of the first metal film and the second metal film, and the line of the second metal film and the third metal film. Less than the difference in expansion coefficients.
上記の半導体装置では、第2金属膜が第1金属膜の表面に達する貫通孔を有している。そして、貫通孔内では、線膨張係数の差が比較的小さい第1金属膜と第3金属膜が接している。したがって、貫通孔内では、第1金属膜と第3金属膜に加わる応力が低減される。また、第2金属膜の一部に貫通孔(すなわち、高い応力が生じない部分)が設けられていることで、第2金属膜全体で応力が緩和される。このため、この半導体装置では、温度変化が生じても、表面電極の内部に空洞が生じ難い。 In the above semiconductor device, the second metal film has a through hole reaching the surface of the first metal film. In the through hole, the first metal film and the third metal film are in contact with each other with a relatively small difference in linear expansion coefficient. Therefore, in the through hole, stress applied to the first metal film and the third metal film is reduced. In addition, since the through holes (that is, portions where high stress does not occur) are provided in a part of the second metal film, stress is relaxed in the entire second metal film. For this reason, in this semiconductor device, even if a temperature change occurs, a cavity is less likely to be generated inside the surface electrode.
図1に示す実施例の半導体装置10は、半導体基板12を有している。半導体基板12の表面12aには、トレンチ40が設けられている。各トレンチ40内に、ゲート電極30とゲート絶縁膜32が配置されている。ゲート電極30の表面は、層間絶縁膜62に覆われている。半導体基板12内には、n型のエミッタ領域22、p型のボディコンタクト領域24、p型のボディ領域25、n型のドリフト領域26及びp型のコレクタ領域27が設けられている。半導体基板12の表面12aには、表面電極50が配置されている。半導体基板12の裏面12bには、裏面電極64が配置されている。エミッタ領域22、ボディコンタクト領域24、ボディ領域25、ドリフト領域26、コレクタ領域27、ゲート電極30等によって、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が構成されている。表面電極50は、IGBTのエミッタ電極として機能する。裏面電極64は、IGBTのコレクタ電極として機能する。
The semiconductor device 10 of the embodiment shown in FIG. 1 has a
表面電極50は、第1金属膜51、第2金属膜52及び第3金属膜53を有している。
The
第1金属膜51は、半導体基板12の表面12aに配置されている。第1金属膜51は、層間絶縁膜62によってゲート電極30から絶縁されている。第1金属膜51は、層間絶縁膜62が存在しない範囲で、半導体基板12の表面12aに接している。第1金属膜51は、例えば、AlSi(アルミニウムとシリコンの合金)を主成分とする金属膜である。第1金属膜51は、エミッタ領域22及びボディコンタクト領域24に対してオーミック接触している。
The
第2金属膜52は、第1金属膜51の表面に配置されている。図2は、半導体装置10の上面図を示している。図2では、図の見易さのため、第2金属膜52より上側の構成の図示を省略している。また、図2では、第2金属膜52が分布している範囲をハッチングにより示している。図2に示すように、第2金属膜52は、第1金属膜51の表面に達する複数の貫通孔70を有している。複数の貫通孔70は、x方向及びy方向に等間隔で設けられている。また、x方向に沿って設けられている貫通孔70を1つの列としたときに、y方向に沿って隣接する各列の貫通孔70のx方向の位置が互い違いになるように各貫通孔70が設けられている。各貫通孔70は、平面視において、矩形状に形成されている。貫通孔70の幅L(すなわち、長手方向の幅)は、例えば、2.6μm以下である。第2金属膜52は、例えば、Ti(チタン)またはTiN(窒化チタン)を主成分とする金属膜である。第2金属膜52の線膨張係数は、第1金属膜51の線膨張係数よりも低い。また、第2金属膜52の引張強度は、第1金属膜51の引張強度よりも高い。なお、図2では、理解を容易にするために、図1に比較して貫通孔70の縮尺が大きくなっている。このために、図1及び図2における貫通孔70の数や幅等が異なっていることに留意されたい。
The
第3金属膜53は、第2金属膜52の表面に配置されている。また、第3金属膜53は、貫通孔70の内部において、第1金属膜51に接している。第3金属膜53は、第2金属膜52の表面から貫通孔70の内部に跨る範囲を覆っている。第3金属膜53は、AlSiを主成分とする金属膜である。第3金属膜53の線膨張係数は、第2金属膜52の線膨張係数よりも高い。第3金属膜53の線膨張係数は、第1金属膜51の線膨張係数と略等しい。したがって、第1金属膜51と第3金属膜53の線膨張係数の差は、第1金属膜51と第2金属膜52の線膨張係数の差よりも小さい。また、第1金属膜51と第3金属膜53の線膨張係数の差は、第2金属膜52と第3金属膜53の線膨張係数の差よりも小さい。また、第3金属膜53の引張強度は、第2金属膜52の引張強度よりも低い。第3金属膜53の引張強度は、第1金属膜51の引張強度と略等しい。
The
表面電極50の外周部は、保護膜56によって覆われている。保護膜56は、例えば、ポリイミドによって構成されている。保護膜56は、表面電極50(すなわち、第3金属膜53)に接している。表面電極50の表面の中央部は、保護膜56に覆われていない。
The outer peripheral portion of the
保護膜56の表面と表面電極50の表面に跨る範囲は、はんだ接合用金属膜58に覆われている。はんだ接合用金属膜58は、はんだ濡れ性を有する金属により構成されている。はんだ接合用金属膜58は、例えば、ニッケルを主成分とする金属膜である。はんだ接合用金属膜58は、保護膜56に覆われていない範囲の表面電極50の表面全域を覆っている。はんだ接合用金属膜58の表面は、はんだ層60によって覆われている。はんだ接合用金属膜58は、はんだ層60によって、図示しない端子に接続されている。
A range extending over the surface of the
半導体装置10の動作中には、半導体装置10の発熱や周囲の温度変化等によって、半導体装置10全体の温度が繰り返し変化する。半導体装置10を構成する各材料の線膨張係数が異なるので、温度変化時に各材料の膨張率が異なる。このため、半導体装置10の内部に熱応力が加わる。表面電極50を構成する各金属膜51、52、53においては、第2金属膜52の線膨張係数が相対的に低いため、第1金属膜51及び第3金属膜53に高い熱応力が加わる。特に、第2金属膜52の引張強度が高いので、第2金属膜52が変形し難く、第1金属膜51及び第3金属膜53に高い熱応力が加わる。表面電極50として従来の構造(すなわち、貫通孔が形成されていない第2金属膜が設けられている構造)を採用すると、第1金属膜51及び第3金属膜53に繰り返し高い熱応力が加わることで、各金属膜51、53の内部に空洞が生じ易い。このような状態で表面電極50にクラックが生じると、空洞を通じてクラックが進展しやすく、クラックが半導体基板12まで達する場合がある。
During the operation of the semiconductor device 10, the temperature of the entire semiconductor device 10 changes repeatedly due to the heat generation of the semiconductor device 10, the temperature change of the surroundings, and the like. Since the coefficients of linear expansion of the respective materials constituting the semiconductor device 10 are different, the coefficients of expansion of the respective materials are different when the temperature changes. Therefore, thermal stress is applied to the inside of the semiconductor device 10. In each of the
これに対し、本実施例の半導体装置10では、第2金属膜52に貫通孔70が設けられており、貫通孔70内では、第1金属膜51と第3金属膜53が接している。第1金属膜51と第3金属膜53の線膨張係数の差は比較的小さい。このため、貫通孔70の内部では、半導体装置10の温度変化により第1金属膜51及び第3金属膜53に加わる熱応力が低減される。また、第2金属膜52の一部に貫通孔70が設けられているため、第2金属膜52全体で熱応力が緩和される。したがって、表面電極50に加わる熱応力が全体として低減される。このように、半導体装置10では、温度変化が生じても、表面電極50の内部に空洞が生じ難い。例えば、半導体装置10では、表面電極50(第3金属膜53)と、保護膜56と、はんだ接合用金属膜58とが互いに接する三重接触部90において高い熱応力が生じ易く、その位置を起点としてクラックが生じる場合がある。しかしながら、半導体装置10によれば、表面電極50の内部に空洞が生じることを抑制することができる。このため、仮に表面電極50にクラックが生じたとしても、クラックが進展し難い。半導体装置10によれば、表面電極50のクラックによる特性劣化を抑制することができる。
On the other hand, in the semiconductor device 10 of the present embodiment, the through
なお、第3金属膜53を成膜する際には、下地の材料によって第3金属膜53(すなわち、AlSi)の結晶粒径が変化する。例えば、AlSiを主成分とする第1金属膜51上に第3金属膜53を成膜したときの第3金属膜53の結晶粒径は、TiまたはTiNを主成分とする第2金属膜52上に第3金属膜53を成膜したときの第3金属膜53の結晶粒径よりも大きくなる。一般的に、結晶粒径が小さいほど、金属の強度は高くなる。本実施例の半導体装置10では、貫通孔70の幅Lが2.6μm以下となっている。このため、貫通孔70内に配置される(すなわち、第1金属膜51上に成膜される)第3金属膜53の結晶粒径を2.6μm以下とすることができる。第3金属膜53の結晶粒径が2.6μm以下であれば、半導体装置10の温度変化による応力に対して、十分な0.2%耐力を得ることができる。
When the
上述した実施例の半導体装置10では、図2に示すように、貫通孔70が矩形状に形成されていた。しかしながら、貫通孔70は、他の多角形状に形成されてもよいし、円形状に形成されてもよい。また、実施例の半導体装置10では、複数の貫通孔70のx方向の位置がy方向に沿って互い違いに設けられていた。しかしながら、貫通孔70の位置は特に限定されず、例えば、第2金属膜52が格子状となるように複数の貫通孔70が設けられてもよい。
In the semiconductor device 10 of the embodiment described above, as shown in FIG. 2, the through
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 As mentioned above, although the specific example of this invention was described in detail, these are only an illustration and do not limit a claim. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of application. In addition, the techniques illustrated in the present specification or the drawings simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of the purposes itself has technical utility.
10:半導体装置
12:半導体基板
12a:表面
12b:裏面
22:エミッタ領域
24:ボディコンタクト領域
25:ボディ領域
26:ドリフト領域
27:コレクタ領域
30:ゲート電極
32:ゲート絶縁膜
50:表面電極
51:第1金属膜
52:第2金属膜
53:第3金属膜
56:保護膜
58:はんだ接合用金属膜
60:はんだ層
62:層間絶縁膜
64:裏面電極
70:貫通孔
10: semiconductor device 12:
Claims (1)
半導体基板と、
前記半導体基板の表面を覆う表面電極、
を有し、
前記表面電極が、
前記半導体基板の前記表面を覆っている第1金属膜と、
前記第1金属膜の表面を覆っており、前記第1金属膜の前記表面に達する貫通孔を有しており、前記第1金属膜よりも低い線膨張係数を有する第2金属膜と、
前記第2金属膜の表面と前記貫通孔内の前記第1金属膜の前記表面を覆っており、前記第2金属膜よりも高い線膨張係数を有する第3金属膜、
を有しており、
前記第1金属膜と前記第3金属膜の線膨張係数の差は、前記第1金属膜と前記第2金属膜の線膨張係数の差及び前記第2金属膜と前記第3金属膜の線膨張係数の差よりも小さい、
半導体装置。
A semiconductor device,
A semiconductor substrate,
A surface electrode covering the surface of the semiconductor substrate,
Have
The surface electrode is
A first metal film covering the surface of the semiconductor substrate;
A second metal film covering a surface of the first metal film, having a through hole reaching the surface of the first metal film, and having a linear expansion coefficient lower than that of the first metal film;
A third metal film covering the surface of the second metal film and the surface of the first metal film in the through hole and having a linear expansion coefficient higher than that of the second metal film;
And have
The difference between the linear expansion coefficients of the first metal film and the third metal film is the difference between the linear expansion coefficients of the first metal film and the second metal film, and the line of the second metal film and the third metal film. Less than the difference in expansion coefficients,
Semiconductor device.
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