JP4765001B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
このバリアメタル膜を形成する理由は、アルミニウム合金膜の形成時やアルミニウム合金膜形成後のアフターアニール時に、下地のシリコンウェハにアルミニウム合金膜からアルミニウムが侵入してアルミスパイク(アルミニウム突起)が形成されることを防止するためである。アルミスパイクが形成され、そのアルミスパイクがpn接合を突き破ると、半導体装置の漏れ電流を増大させるなど電気的特性に不具合が発生するため、アルミスパイクの発生は防止する必要がある。
また、前記とは別に、TiN膜の形成方法で、指向性スパッタ法によって成膜されたバリアメタルであるTiN膜に熱処理を施こして、熱処理前後でのTiN膜のストレス量を3.0×1010dyn/cm2 (3.0×10N/cm2 )以下とすることでTiN膜にクラックを生じ難くすることが開示されている(例えば、特許文献1)。
図8は、従来の薄い半導体基板を用いたIGBTの要部断面図である。これは、300μm程度の厚いシリコンウェハの表面側にIGBTチップとなるウェル領域52、エミッタ領域53、ゲート絶縁膜54、ゲート電極55、層間絶縁膜56、純チタン膜57、バリアメタル膜としてTiN膜58およびエミッタ電極59などの表面構造を形成した後、シリコンウェハの裏面側を研削して厚さを100μm程度に薄くし、この薄いシリコンウェハ51の裏面にコレクタ領域60およびコレクタ電極61などの裏面構造を形成する。最後にシリコンウェハ51をスクライブラインに沿って切断してIGBTチップを形成する。
そのため、図9に示すように、シリコンウェハ51aの裏面を研削する前の300μmの厚さW3の段階では、反りは発生しないが、シリコンウェハ51aを100μm以下の厚さW4に研削して薄いシリコンウェハ51にすると、図10に示すように、シリコンウェハ51は大きく反った状態となる。これは、バリアメタル膜であるTiN膜58とシリコンウェハ51との熱膨張係数の差でTiN膜58をシリコンウェハ51aに形成した段階で、TiN膜58に対してシリコンウェハ51aが縮まる力つまり引っ張り応力として働く。シリコンウェハ51aが300μmと厚いときには、この応力でシリコンウェハ51aが反ることはないが、厚みが100μm以下と薄いシリコンウェハ51になると、この応力によりTiN膜58側が凸となる反りが発生する。尚、この反り量T2はエミッタ電極59であるAl−Si膜の影響は少なく、殆どがTiN膜58の影響である。また、純チタン膜57がTiN膜58とシリコンウェハ51の間に介在した場合でも純チタン膜57の厚みが薄いために反りには影響を及ぼさない。
裏面構造を形成するために、コレクタ領域60およびコレクタ電極61の形成と、表面にはパッシベーション膜として厚いポリイミド膜の形成などが必要となる。しかし、シリコンウェハの反り量T2が2mmを超えて大きくなると、ポリイミド膜のパターニングのための露光が精度良くできなくなる。また、反り量T2が5mm以上大きくなると、裏面研削後の次工程への搬送が困難となり、裏面構造の形成工程など次工程の処理ができなくなる。
また、厚い半導体ウェハの表面側にTiNを形成する工程と、前記厚い半導体ウェハの裏面側を研削してその厚さを100μm以下とする工程を有する半導体装置の製造方法において、前記TiN膜を形成する工程は、該TiN膜に、(111)の配向性を有する第1のTiN領域と(200)の配向性を有する第2のTiN領域とを混在させ、第1のTiN領域/第2のTiN領域のX線回折スペクトルの強度比を0.2〜3の範囲とする製造方法とする。
また、前記ガス流量比が1:2〜1:3の範囲にあり、前記ガス圧力が、0.3Pa〜0.8Paの範囲であるとよい。
また、半導体ウェハとTiN膜の間に純チタン膜を形成するとよい。
また、TiN膜上にAl−Si膜の電極を形成するとよい。
反り量を2.0mm以下とすることで、100μmの厚さのシリコンウェハにIGBTの裏面構造(コレクタ領域やコレクタ電極など)を形成することができる。
ArとN2 のガス流量比(Ar:N2 )を1:2〜1:3とし、ガス圧を0.2〜0.8Paとすることで、TiN膜のX線回折スペクトルの強度比(TiN(111)/TiN(200))を0.2〜3.0とすることができる。
厚さW1が300μm程度の厚いシリコンウェハ1aの表面側にA部の拡大図である図2に示すように、シリコンウェハ1aの表面層にウェル領域およびエミッタ領域を形成し、表面にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5を形成し、その上に層間絶縁膜6を形成し、層間絶縁膜6にコンタクトホール7を開口する(同図(a))。
つぎに、B部の拡大図である図3に示すように、コンタクトホール7の底面のエミッタ領域上と層間絶縁膜6上に純チタン膜7を形成し、純チタン膜7上にバリアメタル膜としてTiN膜8を形成し、このTiN膜8上にAl−Si膜でエミッタ電極9を形成する。前記の純チタン膜7はシリコンウェハ1aとTiN膜8の双方と密着性が良いために形成する。尚、ウェル領域2、エミッタ領域3、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5、層間絶縁膜6、純チタン膜7、TiN膜8およびエミッタ電極9を含めて表面構造という(同図(b))。
この時スパッタチャンバー内へ配置したターゲットとシリコンウェハ1aの間隔は、100〜200mmの範囲である。そしてシリコンウェハ1aは300℃を保つように加熱した。
純アルゴンガスと純窒素ガスの2種類のガス流量比Ar:N2 =1:2、1:3とし、チャンバー内のガス圧力を0.2Pa以上とする。
つぎに、シリコンウェハ1aの裏面を研削して、厚さW2が100μm以下の薄いシリコンウェハ1とする(同図(c))。
つぎに、シリコンウェハ1をスクライブライン12に沿って切断してIGBTチップとする(同図(e))。尚、図2〜図4における最外周の細実線は、図1におけるA部〜C部を囲む細実線に相当する。
図5は、ガス流量比をパラメータとしたガス圧と反り量の関係を示す図である。シリコンウェハの厚みは100μmで、直径は6インチである。ガス圧を0.1Pa〜1.0Paの範囲で可変して、図6に示すシリコンウェハの反り量T1を測定する。ガス流量比はAr:N2 =1:1、1:2、1:3とした。但し、Ar:N2 =1:1は従来のガス流量比であり、比較のために示した。
また、従来のガス流量比であるAr:N2 =1:1ではガス圧を0.2Paの場合、反り量T1は5mm以上となる。
図7は、TiN膜のX線回折スペクトルを示す図である。図の縦軸は回折X線の強度であり、横軸は回折角(2θ)である。この図は、ガス流量比をAr:N2 =1:2として、ガス圧を0.3Paとして形成したTiN膜である。
尚、TiN膜のX線回折スペクトルの強度比(TiN(111)/TiN(200))が0.2〜3.0となるガス圧は0.2Pa以上で、ガス流量比Ar:N2 は1:2〜1:3である。
尚、前記の説明は薄いシリコンウェハ1を用いて製作したIGBTについて説明したが、これに限らず、薄いシリコンウェハ1を用いて製作するダイオードやMOSFETなどの半導体装置の場合にもバイアメタル膜としてTiN膜を必要とするときには、本発明を適用することができる。
1a 厚いシリコンウェハ
2 ウェル領域
3 エミッタ領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 層間絶縁膜
7 純チタン膜
8 TiN膜
9 エミッタ電極
10 コレクタ領域
11 コレクタ電極
12 スクライブライン
Claims (6)
- 厚さが100μm以下の半導体基板上にTiN膜を備えた半導体装置において、
前記TiN膜は、該TiN膜に(111)の配向性を有する第1のTiN領域と(200)の配向性を有する第2のTiN領域とが混在し、第1のTiN領域/第2のTiN領域のX線回折スペクトルの強度比が0.2〜3の範囲であることを特徴とする半導体装置。 - 厚い半導体ウェハの表面側にTiNを形成する工程と、前記厚い半導体ウェハの裏面側を研削してその厚さを100μm以下とする工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記TiN膜を形成する工程は、該TiN膜に、(111)の配向性を有する第1のTiN領域と(200)の配向性を有する第2のTiN領域とを混在させ、第1のTiN領域/第2のTiN領域のX線回折スペクトルの強度比が0.2〜3の範囲とするものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記TiN膜をスパッタ成膜法を用いて形成し、該スパッタ条件において、純アルゴンガスと純窒素ガスのガス流量比(Ar:N)が1:2〜1:3であり、チャンバーのガス圧力が0.2Pa以上であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ガス流量比が1:2〜1:3の範囲にあり、前記ガス圧力が、0.3Pa〜0.8Paの範囲であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体ウェハとTiN膜の間に純チタン膜を形成することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- TiN膜上にAl−Si膜の電極を形成することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
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