JP2021097171A - 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 techniques disclosed herein relate to semiconductor devices.
特許文献1には、トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、層間絶縁膜と、アルミニウム含有金属層と、ニッケル含有金属層を有する半導体装置が開示されている。トレンチは、半導体基板の上面に設けられている。ゲート絶縁膜は、トレンチの内面を覆っている。ゲート電極は、トレンチ内に配置されている。層間絶縁膜は、ゲート電極の上面を覆っており、半導体基板の上面にコンタクトホールを有している。コンタクトホール内にはプラグ電極が設けられている。アルミニウム含有金属層は、層間絶縁膜の上面とプラグ電極の上面に跨る範囲を覆っている。ニッケル含有金属層は、アルミニウム含有金属層の上面を覆っている。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a trench, a gate insulating film, a gate electrode, an interlayer insulating film, an aluminum-containing metal layer, and a nickel-containing metal layer. The trench is provided on the upper surface of the semiconductor substrate. The gate insulating film covers the inner surface of the trench. The gate electrode is arranged in the trench. The interlayer insulating film covers the upper surface of the gate electrode and has a contact hole on the upper surface of the semiconductor substrate. A plug electrode is provided in the contact hole. The aluminum-containing metal layer covers the range straddling the upper surface of the interlayer insulating film and the upper surface of the plug electrode. The nickel-containing metal layer covers the upper surface of the aluminum-containing metal layer.
半導体装置が動作して発熱すると、各構成要素が熱膨張する。特許文献1の半導体装置では、半導体基板とニッケル含有金属層の線膨張係数が異なるので、半導体装置の発熱時に、ニッケル含有金属層に高い熱応力が加わる。半導体装置が繰り返し発熱すると、ニッケル含有金属層に繰り返し応力が加わり、ニッケル含有金属層が変形する。その結果、ニッケル含有金属層が伸長して、アルミニウム含有金属層の内部に侵入する場合がある。ニッケル含有金属層がアルミニウム含有金属層を超えて層間絶縁膜まで達すると、層間絶縁膜にクラックが生じ、ゲートリーク電流が流れる等の問題が生じる。本明細書では、層間絶縁膜にクラックが生じることを抑制する技術を提供する。 When the semiconductor device operates and generates heat, each component thermally expands. In the semiconductor device of Patent Document 1, since the linear expansion coefficient of the semiconductor substrate and the nickel-containing metal layer are different, a high thermal stress is applied to the nickel-containing metal layer when the semiconductor device generates heat. When the semiconductor device repeatedly generates heat, stress is repeatedly applied to the nickel-containing metal layer, and the nickel-containing metal layer is deformed. As a result, the nickel-containing metal layer may be elongated and invade the inside of the aluminum-containing metal layer. When the nickel-containing metal layer exceeds the aluminum-containing metal layer and reaches the interlayer insulating film, cracks occur in the interlayer insulating film, causing problems such as a gate leak current flowing. The present specification provides a technique for suppressing the occurrence of cracks in the interlayer insulating film.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、層間絶縁膜と、上部電極とを備える。前記トレンチは、前記半導体基板の上面に設けられている。前記ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内面を覆っている。前記ゲート電極は、前記トレンチ内に配置されている。前記層間絶縁膜は、前記ゲート電極の上面を覆っており、前記半導体基板の前記上面の上部にコンタクトホールを有している。前記上部電極は、前記層間絶縁膜の上面と前記コンタクトホールの内面に跨る範囲を覆っており、前記コンタクトホール内で前記半導体基板の前記上面に接している。前記上部電極が、タングステン含有金属層と、アルミニウム含有金属層と、ニッケル含有金属層を備えている。前記タングステン含有金属層は、前記層間絶縁膜の上部に配置されている。前記アルミニウム含有金属層は、前記タングステン含有金属層の上部から前記コンタクトホールの上部まで伸びており、前記タングステン含有金属層の上面を覆っている。前記ニッケル含有金属層は、前記アルミニウム含有金属層の上面を覆っている。 The semiconductor device disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate, a trench, a gate insulating film, a gate electrode, an interlayer insulating film, and an upper electrode. The trench is provided on the upper surface of the semiconductor substrate. The gate insulating film covers the inner surface of the trench. The gate electrode is arranged in the trench. The interlayer insulating film covers the upper surface of the gate electrode and has a contact hole on the upper surface of the semiconductor substrate. The upper electrode covers a range straddling the upper surface of the interlayer insulating film and the inner surface of the contact hole, and is in contact with the upper surface of the semiconductor substrate in the contact hole. The upper electrode includes a tungsten-containing metal layer, an aluminum-containing metal layer, and a nickel-containing metal layer. The tungsten-containing metal layer is arranged above the interlayer insulating film. The aluminum-containing metal layer extends from the upper part of the tungsten-containing metal layer to the upper part of the contact hole and covers the upper surface of the tungsten-containing metal layer. The nickel-containing metal layer covers the upper surface of the aluminum-containing metal layer.
この半導体装置では、層間絶縁膜の上部にタングステン含有金属層が配置されている。すなわち、タングステン含有金属層が、層間絶縁膜とニッケル含有金属層の間に配置されている。タングステン含有金属層は、ニッケル含有金属層よりも硬い(ビッカース硬さが大きい)。このため、半導体装置の発熱時に、ニッケル含有金属層がアルミニウム含有金属層の内部に侵入した場合であっても、タングステン含有金属層によって、ニッケル含有金属層の進行が防止される。このため、ニッケル含有金属層が層間絶縁膜に達することが防止される。したがって、この半導体装置では、層間絶縁膜にクラックが生じ難く、半導体装置の信頼性が高い。 In this semiconductor device, a tungsten-containing metal layer is arranged on the interlayer insulating film. That is, the tungsten-containing metal layer is arranged between the interlayer insulating film and the nickel-containing metal layer. The tungsten-containing metal layer is harder than the nickel-containing metal layer (Vickers hardness is higher). Therefore, even when the nickel-containing metal layer invades the inside of the aluminum-containing metal layer when the semiconductor device generates heat, the tungsten-containing metal layer prevents the nickel-containing metal layer from advancing. Therefore, the nickel-containing metal layer is prevented from reaching the interlayer insulating film. Therefore, in this semiconductor device, cracks are unlikely to occur in the interlayer insulating film, and the reliability of the semiconductor device is high.
(実施例1)
図1に示す実施例1の半導体装置10は、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)である。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は、SiC(炭化シリコン)やSi(シリコン)といった半導体材料により構成されている。以下では、半導体基板12の上面12aに平行な一方向をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向をy方向といい、半導体基板12の厚み方向をz方向という。図1に示すように、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。各トレンチ22は、y方向に長く伸びている。各トレンチ22は、x方向に間隔を空けて互いに平行に伸びている。各トレンチ22の内面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。各トレンチ22内には、ゲート電極26が配置されている。ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板12から絶縁されている。
(Example 1)
The
ゲート電極26の上面と半導体基板12の上面12aは、層間絶縁膜28によって覆われている。層間絶縁膜28には、複数のコンタクトホール28aが形成されている。各コンタクトホール28aは、隣接する2つのトレンチ22の間の範囲にそれぞれ設けられている。すなわち、コンタクトホール28aは、x方向においてゲート電極26が設けられていない範囲に配置されている。各コンタクトホール28aは、層間絶縁膜28の上面から下面まで貫通している。コンタクトホール28aの底部には、半導体基板12の上面12aが露出している。
The upper surface of the
各コンタクトホール28aの内部には、W層40が設けられている。W層40は、タングステンによって構成されている。W層40は、各コンタクトホール28aの底部で半導体基板12の上面12aに接している。W層40は、コンタクトホール28aの内部から層間絶縁膜28の上面に跨る範囲まで伸びている。W層40は、その上面が略平坦となるように形成されている。W層40は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。
A W
W層40の上面には、AlSi層42が設けられている。AlSi層42は、アルミニウムとシリコンの合金によって構成されている。AlSi層42は、W層40の上面の略全域を覆っている。すなわち、AlSi層42は、層間絶縁膜28の上部からコンタクトホール28aの上部まで伸びている。
An
AlSi層42の上面の一部には、Ni層44が設けられている。Ni層44は、ニッケルによって構成されている。Ni層44は、半導体基板12の中央側(図1の左側)のAlSi層42の上面を覆っている。半導体基板12の外周側(図1の右側)のAlSi層42の上面には、ポリイミド膜46が設けられている。ポリイミド膜46は、Ni層44の外周端面とAlSi層42の上面に接している。
A
W層40、AlSi層42及びNi層44によって上部電極50が構成されている。Ni層44の上面には、はんだ層48が設けられている。はんだ層48は、ポリイミド膜46の上面には設けられていない。はんだ層48によって上部電極50が外部端子(不図示)にはんだ接合される。Ni層44は、上部電極50を外部端子にはんだ接合するために設けられている。半導体基板12の下面12bには、下部電極52が設けられている。下部電極52は、半導体基板12の下面12bの略全域に接している。
The
半導体基板12の内部には、ソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域34、及びドレイン領域35が設けられている。
A
ソース領域30は、n型であり、半導体基板12の上面12aに露出するとともにゲート絶縁膜24に接している。ソース領域30の一部は、W層40に接している。ボディ領域32は、p型であり、ソース領域30に接している。ボディ領域32は、2つのソース領域30に挟まれた範囲から各ソース領域30の下側まで伸びている。ボディ領域32は、コンタクト領域32aとメインボディ領域32bを有している。コンタクト領域32aは、メインボディ領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。コンタクト領域32aは、2つのソース領域30に挟まれた範囲に配置されている。コンタクト領域32aは、W層40に接している。メインボディ領域32bは、ソース領域30の下側でゲート絶縁膜24に接している。
The
ドリフト領域34は、n型であり、ボディ領域32の下側に配置されている。ドリフト領域34は、ボディ領域32によってソース領域30から分離されている。ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側でゲート絶縁膜24に接している。ドレイン領域35は、n型であり、ドリフト領域34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン領域35は、ドリフト領域34の下側に配置されている。ドレイン領域35は、半導体基板12の下面12bに露出している。ドレイン領域35は、下部電極52に接している。
The
半導体装置10の使用時には、半導体装置10と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。半導体装置10と負荷の直列回路に対して、電源電圧が印加される。半導体装置10のドレイン側(下部電極52)がソース側(上部電極50)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加すると、ゲート絶縁膜24に接する範囲のメインボディ領域32bにチャネルが形成され、半導体装置10がオンする。ゲート電極26にゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)を印加すると、チャネルが消失し、半導体装置10がオフする。
When the
半導体装置10が動作して発熱すると、各構成要素が熱膨張する。半導体基板12とNi層44の線膨張係数が異なるので、半導体装置10の発熱時に、Ni層44に高い熱応力が加わる。半導体装置10が繰り返し発熱すると、Ni層44に繰り返し応力が加わり、Ni層44が変形する。その結果、図2に示すように、Ni層44が伸長して、AlSi層42の内部に侵入する場合がある。本実施例では、層間絶縁膜28がW層40によって覆われている。W層40を構成するタングステンのビッカース硬さ(約3430MPa)は、Ni層44を構成するニッケルのビッカース硬さ(約638MPa)よりも大きい。すなわち、W層40は、Ni層44よりも強度が高い。さらに、このW層40は、その上面が略平坦となるように設けられている。このため、半導体装置10の発熱時に、Ni層44がAlSi層42の内部に侵入した場合であっても、W層40によって、Ni層44の進行が防止される。このため、Ni層44が層間絶縁膜28に達することが防止される。したがって、本実施例の半導体装置10は、層間絶縁膜28にクラックが生じ難く、高い信頼性を有する。
When the
(実施例2)
続いて、実施例2の半導体装置100について説明する。図3に示すように、実施例2の半導体装置100は、上部電極150の構成が実施例1の上部電極50と異なる。
(Example 2)
Subsequently, the
図3に示すように、実施例2では、W層40が、半導体基板12の上面12aの一部と、複数の層間絶縁膜28の一部を覆っている。具体的には、Ni層44とポリイミド膜46の境界部Aの下部を含む範囲にW層40が配置されている。境界部Aの直下に位置する層間絶縁膜28と、当該層間絶縁膜28の両側に隣接する2つの層間絶縁膜28がW層40によって覆われている。W層40は、コンタクトホール28a内で半導体基板12の上面12aに接している。W層40が設けられていない範囲では、AlSi層42がコンタクトホール28a内に配置されている。W層40が設けられていない範囲では、AlSi層42がコンタクトホール28a内で半導体基板12の上面12aに接している。
As shown in FIG. 3, in the second embodiment, the
半導体装置100が繰り返し発熱した場合、AlSi層42とNi層44とポリイミド膜46が互いに接触している三重接触部では、線膨張係数が異なる3種類の層が互いに接触しているので、高い応力が生じる。このため、半導体装置100が繰り返し発熱すると、Ni層44に繰り返し高い応力が加わり、Ni層44が伸長し易い。すなわち、Ni層44とポリイミド膜46の境界部Aの下側に位置するAlSi層42の内部にNi層44が侵入し易い。本実施例では、境界部Aの下部に位置する層間絶縁膜28がW層40により覆われている。このため、層間絶縁膜28を好適に保護することができる。一方で、本実施例では、境界部Aから比較的離れた位置においては、W層40が設けられていない。すなわち、AlSi層42が半導体基板12の上面12aに接している。AlSi層42は、W層40よりも電気抵抗が低い。このため、層間絶縁膜28の保護を特に要する部分以外では、W層40を介さずにAlSi層42を半導体基板12の上面12aに接触させることによって、半導体装置100に大きな電流を流すことができる。このように、本実施例の半導体装置100では、層間絶縁膜28の保護と、高い通電性能とを両立することができる。
When the
(実施例3)
続いて、実施例3の半導体装置200について説明する。実施例3の半導体装置200は、上部電極250(図5及び図6参照)の構成が実施例1の上部電極50と異なる。
(Example 3)
Subsequently, the
図4は、半導体装置200の上面図である。半導体装置200を動作させると、上部電極250が形成された領域(すなわち、半導体素子が形成された領域)では、半導体基板12の中央部210が外周部220よりも高温となる。すなわち、中央部210では、半導体基板12の温度変化が大きくNi層44に加わる応力が大きいため、Ni層44が伸長し易い。本実施例では、図5及び図6に示すように、中央部210では層間絶縁膜28がW層40によって覆われており、外周部220ではW層40が設けられていない。すなわち、外周部220では、AlSi層42が半導体基板12の上面12aからコンタクトホール28aの内部に跨る範囲を覆っている。このように、本実施例では、Ni層44の伸長が特に顕著な中央部210にW層40を配置することで、層間絶縁膜28を好適に保護することができる。また、Ni層44がそれほど伸長しない(すなわち、Ni層44がAlSi層42の内部へ侵入し難い)外周部220ではW層40を介さずにAlSi層42を半導体基板12の上面12aに接触させることによって、半導体装置100に大きな電流を流すことができる。このように、本実施例の半導体装置200においても、層間絶縁膜28の保護と、高い通電性能とを両立することができる。
FIG. 4 is a top view of the
なお、本明細書に開示の技術では、図7に示すように、少なくとも層間絶縁膜28の上部にW層40が設けられていればよく、コンタクトホール28aの内部はタングステン以外の材料により構成された金属層60が配置されてもよい。金属層60の材料は特に限定されず、例えば、アルミニウムとシリコンの合金であってよい。
In the technique disclosed in the present specification, as shown in FIG. 7, it is sufficient that the
また、上述した各実施例において、層間絶縁膜28の上面からコンタクトホール28aの内面に跨る範囲に、Ti(チタン)やTiN(窒化チタン)等によって構成されたバリアメタル層を介在させてもよい。
Further, in each of the above-described embodiments, a barrier metal layer composed of Ti (titanium), TiN (titanium nitride) or the like may be interposed in a range extending from the upper surface of the
また、上述した各実施例では、半導体装置がMOSFETである場合を説明した。しかしながら、半導体装置は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。 Further, in each of the above-described embodiments, the case where the semiconductor device is a MOSFET has been described. However, the semiconductor device may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
(対応関係)
W層40が「タングステン含有金属層」の一例であり、AlSi層42が「アルミニウム含有金属層」の一例であり、Ni層44が「ニッケル含有金属層」の一例である。
(Correspondence)
The
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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in this specification or drawings achieve a plurality of objectives at the same time, and achieving one of the objectives itself has technical usefulness.
10:半導体装置
12:半導体基板
12a:上面
12b:下面
22:トレンチ
24:ゲート絶縁膜
26:ゲート電極
28:層間絶縁膜
28a:コンタクトホール
30:ソース領域
32:ボディ領域
32a:コンタクト領域
32b:メインボディ領域
34:ドリフト領域
35:ドレイン領域
40:W層
42:AlSi層
44:Ni層
46:ポリイミド膜
48:はんだ層
50:上部電極
52:下部電極
10: Semiconductor device 12:
Claims (1)
前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、
前記トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の上面を覆っており、前記半導体基板の前記上面の上部にコンタクトホールを有している層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上面と前記コンタクトホールの内面に跨る範囲を覆っており、前記コンタクトホール内で前記半導体基板の前記上面に接している上部電極、
を備えており、
前記上部電極が、
前記層間絶縁膜の上部に配置されたタングステン含有金属層と、
前記層間絶縁膜の上部から前記コンタクトホールの上部まで伸びており、前記タングステン含有金属層の上面を覆っているアルミニウム含有金属層と、
前記アルミニウム含有金属層の上面を覆っているニッケル含有金属層、
を備える、半導体装置。 With a semiconductor substrate
The trench provided on the upper surface of the semiconductor substrate and
The gate insulating film covering the inner surface of the trench and
With the gate electrode arranged in the trench,
An interlayer insulating film that covers the upper surface of the gate electrode and has a contact hole on the upper surface of the semiconductor substrate.
An upper electrode that covers a range that straddles the upper surface of the interlayer insulating film and the inner surface of the contact hole and is in contact with the upper surface of the semiconductor substrate in the contact hole.
Is equipped with
The upper electrode
A tungsten-containing metal layer arranged on the interlayer insulating film and
An aluminum-containing metal layer extending from the upper part of the interlayer insulating film to the upper part of the contact hole and covering the upper surface of the tungsten-containing metal layer.
A nickel-containing metal layer covering the upper surface of the aluminum-containing metal layer,
A semiconductor device.
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Citations (3)
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