JP3339552B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
の製造方法に係り、特に、シリコン基板の裏面に複数の
層から形成される裏面電極を有する半導体装置及びその
製造方法に関する。
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBT
という)、ダイオード等は、シリコン基板の一方の表面
に電子回路が形成され、その裏面に複数の層からなる裏
面電極が形成されて構成されているのが一般的であり、
この裏面電極を用いて金属により形成されている外部の
固定部材であるヘッダに半田溶融法により接続固定され
て使用される。
層から形成されている。このような裏面電極に必要とさ
れる特性は、シリコン基板との接着性がよいこと、
裏面電極表面での半田濡れ性が良いこと、複数の層か
ら形成された裏面電極自体の各層間の密着性がよく、各
層間で剥がれがないことである。
のIGBT、ダイオード等は、シリコン基板の表面側に
エミッタ電極、アノード電極を形成し、シリコン基板の
裏面側がにコレクタ電極、カソード電極を形成した縦型
構造、すなわち、電流がシリコン表面側から裏面電極を
通して裏面側に流れる構造が主流となっている。そし
て、このような半導体装置における裏面電極に必要とさ
れる特性として、前述に加え、さらに、シリコン基板
との低抵抗接触、すなわち、オーミック接触可能である
ことが必要不可欠となっている。
チタン(Ti)膜、ニッケル(Ni)膜、金(Au)膜
の3層からなる裏面電極構造が提案されている。積層し
たそれぞれの層は、Ti膜がシリコンの拡散防止層とし
て、Ni層が半田濡れ性の向上および、半田のシリコン
側への拡散防止層として、さらにAu層がニッケルの酸
化防止層の効果をもつものであり、その製造方法とし
て、順次スパッタリング法や蒸着法によって形成する積
層金属電極の製造方法が知られている。
Ni膜に強い膜応力が発生し、積層金属電極と半導体ウ
エハとの結合強度が低下し、特に、Tiと半導体ウエハ
との界面に剥離が生じてしまうという問題があった。
来技術として、例えば、特開昭55−41751号公報
等に記載された技術が知られている。この従来技術によ
る電極は、アルミニウム(Al)、モリブデン(M
o)、Ni、及び、Auを順次を連続蒸着して積層して
形成するというものである。
に記載された従来技術による裏面電極は、裏面電極形成
時に各層間、すなわち、Al層−Mo層間、Mo層−N
i層間、Ni層−Au層間の全ての層間において充分な
オーミック接続を得るために、熱処理による層間の合金
化処理が必要となる。そして、その処理温度は、合金化
温度の最も高いAl層とモリブデン層との間の合金化温
度によって決まり、500℃以上の処理温度が必要とさ
れる。
リコン基板の表面に形成した電子回路に、耐熱温度が4
50℃以下の表面保護用のポリイミド膜が形成されてい
るため、裏面電極形成後の各層間の合金化処理の温度は
450℃以下であることが好ましく、また、電子回路内
に形成されているAl配線等に関してもシリコン内への
Alの拡散を防止するためにも、低温での処理が好まし
い。
は、シリコン基板のライフタイムを短縮する効果、すな
わちライフタイムキラーの効果を持つ。このため、裏面
電極の形成工程は、通常、半導体装置製造プロセス中の
最終段階、すなわち、シリコン基板への不純物拡散、及
び、シリコン基板表面への電子回路の形成完了後に行わ
れる必要があり、裏面電極形成後の熱処理温度を低減さ
せることが必要条件となっている。
特性は、シリコン基板との密着性及び複数の層から形
成された裏面電極の各層間での密着性が良好で、各層間
で剥がれないこと、裏面電極がシリコン基板と低抵抗
接続すなわちオーミック接触すること、半田の濡れ性
が良いこと、裏面電極形成に必要とされる作業温度
が、シリコン表面に形成された電子回路に悪影響を与え
ない温度であることである。
裏面電極に必要とされる特性に対して、の条件を満た
すことができず、裏面電極形成に必要とされる作業温度
が、シリコン表面に形成された電子回路に悪影響を与え
てしまうという問題点を有している。
解決し、電子回路が形成されたシリコン基板の裏面に形
成される金属電極に関し、シリコン基板との密着性の向
上を図り、裏面電極を構成する各層間が充分に密着し、
裏面電極膜の剥がれが生じることがなく、かつ、シリコ
ン裏面とオーミック接続する裏面電極を持った半導体装
置及びその製造方法を提供することにある。
は、シリコン基板の表面に電子回路を有し、前記シリコ
ン基板の裏面に裏面電極が形成された半導体装置におい
て、前記裏面電極は、前記シリコン基板裏面側からアル
ミニウム−シリコン合金層と、アルミニウム層と、アル
ミニウム−チタン合金層と、チタン層と、チタン−ニッ
ケル合金層と、ニッケル層と、ニッケル−金合金層と、
金層と、半田層と、ヘッダとにより形成されたことによ
り、また、前記裏面電極のチタン層に代り、クローム
層、コバルト層、または、タングステン層とすることに
より達成される。
貫蒸着により各層を形成された後、400℃〜450℃
で熱処理して形成することにより達成される。
られてきたTi層−Ni層−Au層の3層膜を高耐圧大
電流半導体装置である縦型IGBTに適用したた場合の
問題点となる裏面電極の膜剥がれを解決するために、シ
リコン基板裏面とTiの間に新たにシリコンと密着性の
良いAl層を形成し、裏面電極成型時の熱処理温度、
Al層の厚みに関して縦型のIGBTを用いて実験を
重ねた結果、以下のような知見を得ることができた。
特に、その裏面電極についての実験の結果を図面により
説明する。
熱処理温度を300℃から550℃まで変化させて半導
体装置の飽和電圧を測定した結果を示す図、図5はAl
層の厚みを1000Åから20000Åに増加させて、
420℃の熱処理を施した後の半導体装置の飽和電圧を
測定した結果を示す図、図6はAlの厚みを10000
Åとして420℃の熱処理をしたときの裏面電極蒸着膜
断面のSIMS元素分析結果を示す図である。
膜による裏面電極を形成後、熱処理温度を300℃から
550℃まで変化させて作成した半導体装置の飽和電
圧、すなわち、順方向電圧効果を測定した結果は、図4
に示すように、その飽和電圧が、400℃以上の温度で
の熱処理でほぼ一定の値となった。すなわち、400℃
以上の温度での熱処理により、積層構造を持つ裏面電極
の各層間を完全にオーミック接続することができた。こ
れに対して、従来技術により提案されているAl−Mo
−Ni−Auの各膜による裏面電極は、530℃以上の
温度での熱処理を行わなければ飽和させることができな
かった。
0℃から450℃の合金化熱処理、すなわち、450℃
以下の低温の熱処理により、半導体装置に対して良好な
飽和電圧特性を与えることができることが判った。
000Åへと増加させ、420℃の熱処理を施した後の
飽和電圧を測定した結果、図5に示すように、Alが5
000Åより薄いと飽和電圧が高くなることが明らかと
なった。さらに、Alの厚みを10000Åとし、42
0℃の熱処理をした裏面電極蒸着膜断面のSIMS元素
分析結果、図6に示すように、Si−Al、Al−T
i、Ti−Ni、Ni−Auの各層がそれぞれ、合金層
を形成していることが明らかとなった。特に、Si−A
l界面の合金化は、他の合金層よりも相互拡散が早くA
lの厚さt=10000Åの内のAlの4000Å程度
までが合金化され、充分合金化されていることが明らか
となった。
ていることが明らかとなっており、Al層を入れること
により、裏面電極とシリコンとの密着性が充分得られる
ことが明らかとなった。また、蒸着したAl層の内のほ
ぼ5000Åが合金化されていることから、Al層の厚
みを5000Åよりも薄くした場合、Al−Si合金層
がAl−Ti合金層まで達して電気特性が変化すること
により、図5に示したように飽和電圧が高くなったもの
と推測され、Alの厚みは、少なくとも5000Å以上
必要であることが明らかになった。
実施形態を図面により詳細に説明する。
体装置の構造を示す要部拡大断面図であり、本発明を縦
型IGBTに適用した図である。図1において、1は裏
面電極、20はp型ベース層、21はゲート電極、22
はゲート絶縁膜、23はn型エミッタ層、24は低不純
物濃度のn型ベース層、25は高不純物濃度のp型エミ
ッタ層、30は層間絶縁膜、31はAl電極、100は
IGBTペレット、101はAl層、102はTi層、
103はNi層、104はAu層、201は半田層、2
02はヘッダである。
である縦型IGBTは、図1に示すように、電子回路と
しての絶縁ゲート形バイポーラトランジスタがシリコン
基板内に作り込まれているIGBTペレット100と、
このペレット100が半田層201を介して接着される
金属による固定部材としてのヘッダ202と、シリコン
表面のゲート電極21及びエミッタ層23に電気的に接
続された図示しないリード線とにより構成されている。
そして、前記ヘッダ202は、外部電極と電気的に接続
されている。
ース層24の一方の主表面(図では上側の表面を指し、
これを表面という)に、p型ベース層20が形成され、
このp型ベース層20の内側にn型エミッタ層23が形
成されている。そして、p型ベース層20が露出する上
側の面はエミッタ面となり、ここにはゲート絶縁膜22
を介して、エミッタ層23からp型ベース層20とn型
ベース層24を跨いで次のエミッタ層23まで、例え
ば、多結晶シリコンからなるゲート電極21が形成さ
れ、その表面に層間絶縁膜30が形成されて絶縁ゲート
構造が作られ、さらに、その表面にn型エミッタ層23
に接するようにAlを主成分とする電極31が形成され
ている。さらに、図示していないが、Alを覆うように
ポリイミド膜からなる層間絶縁膜が形成されている。
表面(図では下側の表面を指し、これを裏面という)に
高濃度p型層25が形成され、この高濃度層25が露出
する下側面がコレクタ面とされ、ここにAl層101、
Ti層102、Ni層103、Au層104の連続する
4層からなる裏面電極1が形成されている。さらに、A
u層104と電気的に接続するように半田層201を介
してヘッダ202が接続されている。
レットの製作工程における裏面電極の形成方法について
説明する。
ンウエハを用意し、このウエハを低不純物濃度ベース層
24として、シリコンウエハの表面側に絶縁ゲート構造
を形成し、また、裏面側にp型コレクタ層24を形成し
て電子回路としての構成を完了する。なお、p型コレク
タ層の表面濃度は、Alとのオーミック接続するため
に、5×1018atom/cm3とした。
水素:水=1:50の溶液を用いて洗浄処理し、自然酸
化膜を除去する。
続蒸着可能な装置を用いて、Al10000Å、Ti2
000Å、Ni6000Å、Au1000Åを順次連続
して蒸着する。なお、蒸着時のウエハ温度は260℃で
ある。また、Alの厚みは、前述したように5000Å
以上必要とされたことから10000Åとした。
において、240℃で30分間の熱処理を実施した。こ
の窒素雰囲気中の熱処理は、前述で説明したように、ウ
エハの裏面に蒸着した複数の金属層の各層間の接触抵抗
を低減するため、すなわち、各層間に合金層を形成する
ために実施される。
BTの裏面電極剥がれ試験の結果と電気特性試験の結果
について説明する。
認する試験であり、裏面電極蒸着後、窒素雰囲気中で4
20℃で30分熱処理を加えて各層間を合金化させた試
料に、ウエハ外周から5mmの所の裏面電極表面にダイ
ヤモンドカッターを用いて長さ5mm程度の直線を3本
けがき、ケガキ部を充分覆うように粘着テープを張り付
け、最後にピンセット等でウエハを押さえつけてテープ
を剥がし、ケガキ部分からの裏面電極の剥がれ状況を観
察する試験である。
による半導体装置に対して実施し、ケガキ部分からの1
mm以上の裏面電極の剥離が発生した場合を剥がれ不良
としてカウントした結果、従来技術による構造の裏面電
極を持った半導体装置の不良率が1.2%であったのに
対し、本発明の実施形態では、不良率0%(1000枚
実施結果)となり、剥がれを皆無とすることができた。
造における課題であるSi−Ti界面での剥離が、裏面
電極形成後の熱処理により形成されるシリコン−Ti合
金層が充分形成されなかったために発生したためであ
り、本発明による裏面電極では、シリコン表面とTi層
との間にAl層を介在させ、シリコンとの密着性の良い
シリコン−Al界面と420℃の熱処理で充分な合金層
が得られるAl−Ti界面とに分割したために、膜剥が
れが改善されたものである。電気特性については、すで
に図4に示して説明した通りであり、400℃〜450
℃の熱処理を施すことにより良好な電気特性が得られ
た。
明の第2の実施形態による半導体装置の構造を示す要部
拡大断面図、図3は本発明の実施形態によるダイオード
のシリコン基板の電極側の表面不純物濃度と順方向電圧
降下との関係を示す図である。図2において、120は
p型層、124は低濃度n型層、125は高濃度n層、
131はAl電極、200はダイオードペレット、30
0はニッケルシリサイド層であり、他の符号は図1の場
合と同一である。
形態による半導体装置は、図2に示すように、電子回路
としてのダイオードがシリコン基板内に作り込まれてい
るペレット200と、このペレット100が半田層20
1を介して接着されている金属からなる固定部材として
のヘッダ202と、図示されていないシリコン表面に接
続されたリード線とにより構成され、前記ヘッダ202
が外部電極と電気的に接続されている。
層124の一方の主表面(図では上側の表面を指し、こ
れを表面という)にp型層120が形成されてp型アノ
ード層とされ、その表面が露出する上側の面にはAlを
主成分とする電極131が形成されている。さらに、図
示されてはいないが、Al電極131を覆うようにポリ
イミド膜からなる層間絶縁膜が形成されて構成されてい
る。
(図では下側の表面を指し、これを裏面という)に、高
濃度n型層125が形成され、この高濃度n型層125
が露出する下側面がカソード面となり、この面に、ニッ
ケルシリサイド層300、Al層101、Ti層10
2、Ni層103、Au層104の連続する4層から成
る裏面電極1が形成されている。さらに、Au層104
と電気的に接続するように半田層201を介してヘッダ
202が接続されている。
ドペレットの製作工程における裏面電極の形成方法につ
いて説明する。
シリコンウエハを用意し、このウエハを低不純物濃度n
型層124として、シリコンウエハの表面側にp型層1
20によるp型アノード層を形成し、その表面が露出す
る上側の面にAlを主成分とする電極131を形成し、
また、高不純物濃度のn層125によるカソード層を形
成して電子回路としてのダイオードの構成を完了する。
水素:水=1:50の溶液を用いて洗浄処理し、自然酸
化膜を除去する。
uを連続蒸着可能な装置を用いて、Ni2000Å、A
l10000Å、Ti2000Å、Ni6000Å、A
u1000Åを順次連続して蒸着する。なお、蒸着時の
ウエハ温度は260℃である。
において、420℃で30分間熱処理を実施する。この
窒素雰囲気中の熱処理は、シリコンウエハ直下に形成し
たNi層をシリサイド化すると共に、前述で説明したよ
うに、ウエハの裏面に蒸着した複数の金属層の各層間の
接触抵抗を低減するため、すなわち、各層間に合金層を
形成するために実施される。
態の第1の実施形態との相違は、本発明をダイオードに
適用し、さらに、裏面電極の1層目にニッケルシリサイ
ドを形成した点にある。
コンと裏面電極との接合において、良好な接続、すなわ
ちオーミック接続を実現するためには、シリコン基板裏
面の不純物濃度を充分に高くし、シリコン基板と裏面電
極との間にショットキー接続を形成しないようにする必
要がある。
Tは、シリコン基板裏面にp型の高不純物濃度層が形成
されており、Al層との間で良好なオーミック接続を得
ることができる。一方、図2に示した第2の実施形態の
ダイオードは、シリコン基板裏面がn型の高不純物層と
なっているため、Alを直接接続する場合、シリコン基
板の裏面の不純物濃度により整流特性を示し、コンタク
ト抵抗が高くなる場合がある。
コン基板の裏面に接する部分にNi層を形成し、連続し
てAl層101、Ti層102、Ni層103、Au層
104を連続して形成し、続いて熱処理による合金処理
を行うことにより、シリコン基板の裏面に接する部分に
形成したNi層をニッケルシリサイド300としたもの
である。これにより、シリコン基板裏面のn型の高不純
物層と裏面電極との間で良好なオーミック接続を行うこ
とができる。
装置に対して、第1の実施形態の場合と同様な剥がれ試
験を行った結果、不良率0%を得ることができた。ま
た、その電気特性については、図3にシリコン基板の電
極側の表面不純物濃度と順方向電圧降下との関係を示す
特性図から判るように、シリコン裏面の不純物濃度が低
い場合にも、順方向電圧降下の小さい良好な電気特性を
得ることができた。
をAl層101、Ti層102、Ni層103、Au層
104を含んで形成するとして説明したが、本発明は、
Ti層に代えて、クローム層、コバルト層、または、タ
ングステン層を使用して裏面電極を形成することがで
き、この場合にも同様な効果を得ることができる。
l、Ti、Ni、Auの各層を積層した裏面電極を用い
ることにより、良好な電気特性を得ることができ、か
つ、シリコンと裏面電極との良好な密着性を得ることが
できる。
施形態による半導体装置の構造を示す要部拡大断面図で
ある。
実施形態による半導体装置の構造を示す要部拡大断面図
である。
基板の電極側の表面不純物濃度と順方向電圧降下との関
係を示す図である。
を300℃から550℃まで変化させて半導体装置の飽
和電圧を測定した結果を示す図である。
増加させて、420℃の熱処理を施した後の半導体装置
の飽和電圧を測定した結果を示す図である。
処理をしたときの裏面電極蒸着膜断面のSIMS元素分
析結果を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 シリコン基板の表面に電子回路を有し、
前記シリコン基板の裏面に裏面電極が形成された半導体
装置において、前記裏面電極は、前記シリコン基板裏面
側からアルミニウム−シリコン合金層と、アルミニウム
層と、アルミニウム−チタン合金層と、チタン層と、チ
タン−ニッケル合金層と、ニッケル層と、ニッケル−金
合金層と、金層と、半田層と、ヘッダとにより形成され
たことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記裏面電極のチタン層に代り、クロー
ム層、コバルト層、または、タングステン層を使用した
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】 シリコン基板の表面に電子回路を形成す
る工程と、 シリコン基板の裏面に厚さ5000Åのアルミニウム層
を形成する工程と、 前記アルミニウム層の上にチタン層を形成する工程と、 前記チタン層の上にニッケル層を形成する工程と、 前記ニッケル層の上に金層を形成する工程と、 前記各層が形成された前記シリコン基板を400℃〜4
50℃で熱処理する工程と、 半田層を形成する工程と、 ヘッダを形成する工程とを有することを特徴とする半導
体装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記熱処理する工程は、アルミニウム−
シリコン合金層、アルミニウム−チタン合金層、チタン
−ニッケル合金層及びニッケル−金合金層を形成する工
程であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の
製造方法。
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1996
- 1996-11-27 JP JP31646296A patent/JP3339552B2/ja not_active Expired - Lifetime
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