JP2021150304A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、基板底面と、基板上面と、を有し、基板底面に凹部を有する半導体基板と、凹部の上に設けられた半導体素子と、凹部内に設けられた第1電極と、を備え、凹部は凹部側面と、凹部上面と、を有し、凹部側面と凹部上面のなす角は90度以上であり、第1電極の膜厚は凹部の深さの1/2以上である、半導体装置である。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
発電や送電、ポンプやブロアなどの回転機、通信システムや工場などの電源装置、交流モータによる鉄道、電気自動車、家庭用電化製品等の幅広い分野に向けた、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect−Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の、電力制御用に設計されたパワー半導体チップの開発が行われている。
また、かかるパワー半導体チップを用いた、パワーモジュールとしての半導体装置の開発が行われている。このような半導体装置には、高電流密度化、低損失化、高放熱化等のスペックが要求されている。
本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、基板底面と、基板上面と、を有し、基板底面に凹部を有する半導体基板と、凹部の上に設けられた半導体素子と、凹部内に設けられた第1電極と、を備え、凹部は凹部側面と、凹部上面と、を有し、凹部側面と凹部上面のなす角は90度以上であり、第1電極の膜厚は凹部の深さの1/2以上である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材には同一の符号を付す場合がある。また、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する場合がある。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
(第1実施形態)
本実施形態の半導体装置は、基板底面と、基板上面と、を有し、基板底面に凹部を有する半導体基板と、凹部の上に設けられた半導体素子と、凹部内に設けられた第1電極と、を備え、凹部は凹部側面と、凹部上面と、を有し、凹部側面と凹部上面のなす角は90度以上であり、第1電極の膜厚は凹部の深さの1/2以上である。
本実施形態の半導体装置は、基板底面と、基板上面と、を有し、基板底面に凹部を有する半導体基板と、凹部の上に設けられた半導体素子と、凹部内に設けられた第1電極と、を備え、凹部は凹部側面と、凹部上面と、を有し、凹部側面と凹部上面のなす角は90度以上であり、第1電極の膜厚は凹部の深さの1/2以上である。
図1は、本実施形態の半導体装置100の模式断面図である。
図1(a)は、本実施形態の半導体装置100の模式上面図である。図1(b)は、本実施形態の半導体装置100の模式断面図である。図1(c)は、本実施形態の半導体装置100の模式底面図である。
図1を用いて、本実施形態の半導体装置100について説明をする。
半導体装置100は、半導体基板20と、半導体素子90と、第1電極40と、を備える。
半導体基板20は、例えば、Si(シリコン)基板である。しかし、半導体基板20は、SiC(炭化珪素)基板、窒化物半導体基板その他の半導体基板であってもかまわない。
半導体基板20は、基板底面22と、基板上面24と、を有する。また、半導体基板20は、基板底面22に設けられた凹部30を有する。ここで、凹部30は、凹部側面32と、凹部上面34と、を有する。
なお、基板上面24の側の半導体装置100の面は、デバイス面又は素子面と呼ばれる。
図1(c)に示すように、例えば、凹部30は、基板底面22の中央付近に設けられているが、これに限定されるものではない。また、基板底面22は、凹部30の周囲に設けられている。
凹部上面34は、例えば、半導体装置100の製造の容易さのため、基板上面24に平行であることが好ましい。しかし、凹部上面34は、基板上面24と平行でなくてもかまわない。
凹部側面32と凹部上面34のなす角θは、90度以上であることが好ましい。
半導体素子90の少なくとも一部は、凹部30の上に設けられている。また、半導体素子90の一部は、素子領域19内に設けられている。本実施形態の半導体素子90は、例えば、n型の縦型MOSFETである。ソース電極10は、基板上面24上に、素子領域19を介して設けられている。言い換えると、ソース電極10は、素子領域19の上に設けられている。半導体素子90がMOSFETである場合、ソース電極10は、かかる半導体素子90のソース電極として機能する。
第1電極40は、凹部30内に設けられている。半導体素子90がMOSFETである場合、第1電極40は、例えば、かかる半導体素子90のドレイン電極として機能する。
なお、本実施形態の半導体素子90は、p型のMOSFET、Si−IGBT、Si−FRD(Fast Recovery Diode)、SiC(炭化珪素)を用いたSiC−IGBT、SiC−MOSFET又はSiC−SBD(Schottky Barrier Diode)、又はIII−V族半導体においてV族元素が窒素である窒化物半導体を用いたGaN−MOSFET等であってもかまわない。例えば、MOSFETとしては、プレーナー型のMOSFETやトレンチ型のMOSFETであってもかまわない。例えば、MOSFETとしては、横型のMOSFETであってもかまわない。また、半導体素子90は、いわゆるパワー半導体素子でなくてもかまわない。
第1電極40及びソース電極10は、例えば、Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)又はAl(アルミニウム)等により形成され、Cu、Ag、Au又はAlを含む。なお、第1電極40及びソース電極10は、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Sn(錫)又はNi(ニッケル)等の他の金属を含んでいてもかまわない。
第1電極40の膜厚t2は凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚t1より厚いことが好ましい(図1(b))。また、凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚t1は100μm以下であることが好ましい(図1(b))。なお、凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚t1は、100μmより厚くてもかまわない。また、凹部30が設けられていない部分の基板底面22の長さL2は基板上面24の長さL1の1/4以下であることが好ましい(図1(b))。さらに、凹部30が設けられていない部分の基板底面22の長さL2は基板上面24の長さL1の1/10以下であると好ましい。さらに、第1電極40の膜厚t2は凹部30の深さt3―t1の1/2以上であることが好ましい。なお、t3は半導体基板20の基板厚である。
図2は、本実施形態の半導体装置100の製造方法において、製造途中の半導体装置100を示す模式断面図である。
まず、半導体基板20上に、半導体素子90の一部を有する素子領域19を形成する。次に、素子領域19の上に、ソース電極10としての、ソース電極10a、10b、10c及び10dをそれぞれ形成する(図2(a))。
次に、ソース電極10a、10b、10c及び10dが形成された面を、接着剤200を用いて、ガラス基板等の支持基板210の上に固定する(図2(b))。
次に、裏面研削等を用いて、半導体基板20を薄膜化する(図2(c))。
次に、フォトレジストの塗布、露光及び現像、半導体基板20のエッチング及びフォトレジストの除去により、半導体基板20に凹部30としての凹部30a、凹部30b、凹部30c及び凹部30dを形成する。次に、スパッタ又はめっき及びCMP(Chemical Mechanical Polishing)等により、凹部30a、凹部30b、凹部30c及び凹部30d内に、第1電極40としての、第1電極40a、第1電極40b、第1電極40c及び第1電極40dを形成する(図2(d))。なお、本実施形態におけるめっきは、電解めっきであってもかまわないし、無電解めっきであってもかまわない。
次に、支持基板210から半導体基板20を剥離し、ダイシングテープ220の上に張り付けて固定する(図2(e))。
次に、例えばブレードダイシングにより個片化を行い、半導体装置100としての、半導体装置100a、半導体装置100b、半導体装置100c及び半導体装置100dを得る(図2(f))。
なお、図2においては、凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚は第1電極40の膜厚より厚いように図示されている。しかし、上述の通り、第1電極40の膜厚は凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚より厚い。
次に、本実施形態の半導体装置100の作用効果を記載する。
図3は、本実施形態の比較形態となる半導体装置800の模式断面図である。半導体装置800においては、凹部30が設けられていない。そして、基板底面22の全面にわたって、第1電極40が設けられている。
半導体装置800のように、基板底面22の全面にわたって第1電極40が設けられている場合は、ブレードダイシングにより個片化を行う際に、第1電極40の切断中におけるブレードの自生発刃が発生しづらい。そのため、半導体装置800にクラック(ひび割れ)やチッピング(細かい欠け)が発生し、機械的強度や信頼性が低下するという問題があった。
また、レーザーによるダイシングの場合には、半導体装置800の側面に、半導体基板20に含まれる半導体材料や、第1電極40に含まれる金属材料が蒸着により付着する。このために、半導体装置800の機械的強度や信頼性が低下するという問題があった。
さらに、基板底面22の全面にわたって第1電極40を設ける場合には、半導体基板20と第1電極40の熱膨張係数の差による反りが大きく発生し、取り扱いが困難になるという問題があった。
本実施形態の半導体装置100は、基板底面と、基板上面と、を有し、基板底面に凹部を有する半導体基板と、凹部の上に設けられた半導体素子と、凹部内に設けられた第1電極と、を備え、凹部は凹部側面と、凹部上面と、を有し、凹部側面と凹部上面のなす角は90度以上であり、第1電極の膜厚は凹部の深さの1/2以上である。
基板底面22に凹部30を設け、凹部30内に第1電極40を設けている。このために、ブレードダイシングの際に、第1電極40をブレードで切断せずとも良い。そのため、クラックの発生やチッピングの発生を抑制することが出来る。よって、信頼性の高い半導体装置の提供が可能になる。
また、凹部側面32と凹部上面34のなす角は90度以上である。凹部側面32と凹部上面34のなす角が90度未満であるとすると、凹部側面32と凹部上面34の交線及びその周辺にストレスがかかりやすくなり、機械的強度や信頼性が低下してしまう。凹部側面32と凹部上面34のなす角が90度以上であることにより、半導体基板20がストレスから解放される。よって、信頼性の高い半導体装置の提供が可能になる。
第1電極40の膜厚t2は凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚t1より厚いことが好ましい。これは、第1電極40の膜厚t2を厚くすることにより、半導体装置100の機械的強度を高めるためである。
凹部30が設けられた部分の半導体基板20の基板厚t1は100μm以下であることが好ましい。このような場合に、本実施形態の半導体装置100は特に好ましく適用される。
凹部30が設けられていない部分の基板底面22の長さL2は基板上面24の長さL1の1/4以下であることが好ましい。これは、出来るだけ第1電極40が設けられる部分を大きくして、半導体素子90の抵抗を小さくするためである。
第1電極40の膜厚t2は凹部30の深さt3―t1の1/2以上であることが好ましい。これは、第1電極40の膜厚をできるだけ厚くして、半導体装置の機械的強度を高めるためである。
本実施形態の半導体装置100によれば、信頼性の高い半導体装置の提供が可能になる。
(第2実施形態)
本実施形態の半導体装置120においては、第1電極40は、凹部上面34、凹部側面32及び基板底面22にわたって設けられている点で、第1及び第2実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1及び第2実施形態の半導体装置と重複する内容の記載は省略する。
本実施形態の半導体装置120においては、第1電極40は、凹部上面34、凹部側面32及び基板底面22にわたって設けられている点で、第1及び第2実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1及び第2実施形態の半導体装置と重複する内容の記載は省略する。
図4は、本実施形態の半導体装置120の模式断面図である。
基板底面22に接している第1電極40の部分42が設けられていてもかまわない。ただし、基板底面22に接している第1電極40の部分42の膜厚t4は、厚くないほうが好ましい。具体的には、第1電極40の膜厚t2は、基板底面22に接している第1電極40の部分の膜厚t4の2倍より大きいことが好ましい。これは、あまり基板底面22に接している第1電極40の部分42の膜厚t4が厚すぎると、基板底面22に接している第1電極40の部分を切断する際に、上述の通り、ブレードの自生発刃が発生しづらくなり、信頼性が低下するおそれがあるためである。
第1電極の底面45は、例えば基板上面24及び基板底面22に対して平行であることが好ましいが、特にこれに限定されるものではない。
本実施形態の半導体装置120によっても、信頼性の高い半導体装置の提供が可能になる。
(第3実施形態)
本実施形態の半導体装置130及び半導体装置140においては、第1電極40は、第1元素を含む第1層44と、第1層の上に設けられ第1元素と異なる第2元素を含む第2層46と、を有する点で、第1乃至第3実施形態の半導体装置と異なっている。また、第1電極40は、凹部側面32及び凹部上面34と接する部分にバリアメタルを有する点で、第1乃至第3実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1乃至第3実施形態の半導体装置と重複する内容の記載は省略する。
本実施形態の半導体装置130及び半導体装置140においては、第1電極40は、第1元素を含む第1層44と、第1層の上に設けられ第1元素と異なる第2元素を含む第2層46と、を有する点で、第1乃至第3実施形態の半導体装置と異なっている。また、第1電極40は、凹部側面32及び凹部上面34と接する部分にバリアメタルを有する点で、第1乃至第3実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1乃至第3実施形態の半導体装置と重複する内容の記載は省略する。
図5は、本実施形態の半導体装置130及び半導体装置140の模式断面図である。図5(a)は本実施形態の半導体装置130の模式断面図であり、図5(b)は本実施形態の半導体装置140の模式断面図である。
第1元素及び第2元素は、特に限定されないが、Cu、Ag、Au、Al、Pt、Pd、Sn又はNi等の元素から選択することが出来る。
バリアメタル48としては、Ti(チタン)又はTiNiが好ましく用いられるが、これに限定されるものではない。
図5(a)の半導体装置130においては、第2層46の膜厚はほぼ一定である。一方、図5(b)の半導体装置140においては、第1層44と第2層46の境界は、基板上面24又は基板底面22に平行である。どちらも好ましく用いることができる。
本実施形態の半導体装置130によっても、信頼性の高い半導体装置の提供が可能になる。
(第4実施形態)
本実施形態の半導体装置150においては、第1電極40は、第1層と前記第2層の間に設けられTi(チタン)又はTa(タンタル)を含む第3層49をさらに有する点で、第1乃至第4実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1乃至第4実施形態の半導体装置と重複する内容の記載は省略する。
本実施形態の半導体装置150においては、第1電極40は、第1層と前記第2層の間に設けられTi(チタン)又はTa(タンタル)を含む第3層49をさらに有する点で、第1乃至第4実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1乃至第4実施形態の半導体装置と重複する内容の記載は省略する。
図6は、本実施形態の半導体装置150の模式断面図である。
第3層49は、拡散防止層である。これにより、第1層44に含まれる第1元素と第2層46に含まれる第2元素が相互に拡散することを抑制することが出来るため、より信頼性の高い半導体装置の提供が可能となる。なお、第3層49としては、SnAg合金又はCuSn合金等も好ましく用いることが出来る。
本実施形態の半導体装置150によっても、信頼性の高い半導体装置の提供が可能になる。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、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、変更を行うことが出来る。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共に、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。
10 ソース電極
19 素子領域
20 半導体基板
22 基板底面
24 基板上面
30 凹部
32 凹部側面
34 凹部上面
40 第1電極
44 第1層
45 第1電極の底面
46 第2層
48 バリアメタル
49 第3層
100 半導体装置
120 半導体装置
130 半導体装置
140 半導体装置
150 半導体装置
19 素子領域
20 半導体基板
22 基板底面
24 基板上面
30 凹部
32 凹部側面
34 凹部上面
40 第1電極
44 第1層
45 第1電極の底面
46 第2層
48 バリアメタル
49 第3層
100 半導体装置
120 半導体装置
130 半導体装置
140 半導体装置
150 半導体装置
Claims (9)
- 基板底面と、基板上面と、を有し、前記基板底面に凹部を有する半導体基板と、
前記凹部の上に設けられた半導体素子と、
前記凹部内に設けられた第1電極と、
を備え、
前記凹部は凹部側面と、凹部上面と、を有し、前記凹部側面と前記凹部上面のなす角は90度以上であり、
前記第1電極の膜厚は前記凹部の深さの1/2以上である、
半導体装置。 - 前記第1電極の膜厚は前記凹部が設けられた部分の前記半導体基板の基板厚より厚い請求項1記載の半導体装置。
- 前記凹部が設けられた部分の前記半導体基板の基板厚は100μm以下である請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
- 前記凹部が設けられていない部分の前記基板底面の長さは、前記基板上面の長さの1/4以下である請求項1乃至請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記第1電極は、前記凹部上面、前記凹部側面及び前記基板底面にわたって設けられている請求項1乃至請求項4いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記第1電極の膜厚は、前記基板底面に接している前記第1電極の部分の膜厚の2倍より大きい請求項5記載の半導体装置。
- 前記第1電極は、第1元素を含む第1層と、前記第1層の上に設けられ前記第1元素と異なる第2元素を含む第2層と、を有する請求項1乃至請求項6いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記第1電極は、前記第1層と前記第2層の間に設けられTi(チタン)又はTa(タンタル)を含む第3層をさらに有する請求項7記載の半導体装置。
- 前記第1電極は、前記凹部側面及び前記凹部上面と接する部分にバリアメタルを有する請求項1乃至請求項8いずれか一項記載の半導体装置。
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- 2020-03-16 JP JP2020045118A patent/JP2021150304A/ja active Pending
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