JP5180802B2 - 積層電極形成方法とその積層電極を備える半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物の半導体層の表面に積層電極を形成する技術に関する。

III族窒化物の半導体層を利用する半導体装置が特許文献１に開示されている。図１１に、特許文献１に開示される技術が適用された半導体装置１００を示す。半導体装置１００は、絶縁基板１１０と、III族窒化物の半導体層１８０を備えている。半導体層１８０には、電気的機能を発揮するための半導体素子が形成されている。半導体素子の一例には、ＨＥＭＴ等のスイッチング素子が挙げられる。半導体層１８０の裏面のＣｕ裏面電極１３４と絶縁基板１１０の表面のＣｕ膜１２２が、ＣｕとＳｎが合金化した接合部Ｍ１を介して接合されている。Ｃｕ裏面電極１３４と接合部Ｍ１とＣｕ膜１２２は積層電極を構成しており、その積層電極のＣｕ膜１２２にボンディングワイヤＷ１が接続されている。

特開２００８−２８２９５号公報

半導体層１８０の裏面電極の材料にＣｕを利用すると、半導体層１８０に対する放熱効果を向上させることができる。しかしながら、III族窒化物の半導体層１８０とＣｕ裏面電極１３４の間の接着性が悪く、両者間に剥離が発生し易い。本発明は、III族窒化物の半導体層とＣｕ電極の接着性を向上させる技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、III族窒化物の半導体層と接着性がよい膜と、その膜と合金化するとともにＣｕ電極とも合金化する膜を用いることによって、III族窒化物の半導体層とＣｕ電極を良好に接合させることを特徴としている。この技術思想を具現化するために、以下の技術が提供される。

本明細書で開示される積層電極形成方法は、III族窒化物の半導体層の少なくとも一方の表面に積層電極を形成する方法であって、第１工程と第２工程と第３工程を備えている。第１工程では、半導体層の少なくとも一方の表面にＭｇ又はＣｒの第１金属膜を形成する。第２工程では、その第１金属膜上にＡｌの第２金属膜を形成する。第３工程では、その第２金属膜上にＣｕの第３金属膜を形成する。
Ｍｇ又はＣｒはIII族窒化物の半導体層との接着性が良い。また、第２金属膜のＡｌは、第１金属膜のＭｇ又はＣｒと合金化するとともに、第３金属膜のＣｕとも合金化する。上記した方法によると、III族窒化物の半導体層の少なくとも一方の表面に、Ｃｕを含む積層電極を形成することができる。

第１工程、第２工程、及び第３工程を実施した後に、第１金属膜、第２金属膜及び第３金属膜を熱処理する熱処理工程をさらに備えていることが好ましい。また、熱処理工程は、第１金属膜のＭｇ又はＣｒと第２金属膜のＡｌの双方を含む合金層が形成される最低温度以上であり、第２金属膜のＡｌと第３金属膜のＣｕの双方を含む合金層が形成される最低温度以上の温度で実施するのが好ましい。

熱処理工程では、半導体層の温度が４５０℃以下で熱処理をすることが好ましい。
例えば、半導体層に積層電極を形成するのに先立って、半導体層の他の表面にＡｌ等の電極が形成されていることが多い。このため、積層電極を形成する時の熱処理は、Ａｌ等の電極に悪影響を及ぼさない低い温度で実施するのが望ましい。４５０℃以下の熱処理温度であれば、Ａｌ等の電極に悪影響を及ぼすことなく、積層電極を合金化させることができる。

上記した積層電極形成方法は、第３工程と熱処理工程の間に、第３金属膜上に少なくともＳｎを含む第４金属膜を形成する工程をさらに備えていてもよい。この場合、上記熱処理工程は、第４金属膜に含まれるＳｎと第２金属膜のＡｌの双方を含む合金層が形成されない条件で実施されるのが好ましい。このため、上記熱処理工程を実施しても、第４金属膜に含まれるＳｎと第２金属膜のＡｌが合金化した脆弱な合金層が形成されない。また、その合金層によって積層電極の電気抵抗が高くなることも抑制される。

第４金属膜に含まれるＳｎと第２金属膜のＡｌの双方を含む合金層が形成されないためには、第３金属膜の膜厚が２μｍ以上であることが好ましい。第３金属膜の膜厚が２μｍ以上であれば、第４金属膜に含まれるＳｎと第２金属膜のＡｌが第３金属膜を越えて合金化することが防止される。

上記した積層電極形成方法では、第３金属膜の膜厚が２０μｍ以下であることが好ましい。第３金属膜の膜厚は２０μｍ以下であれば、熱応力の影響が低減され、積層金属の剥離が抑制される。

本明細書では、上記した方法で製造した半導体装置も開示される。本明細書で開示される半導体装置は、III族窒化物の半導体層と、半導体層の少なくとも一方の表面に設けられている積層電極とを備えている。積層電極は、ＭｇとＡｌ又はＣｒとＡｌの第１合金層と、ＡｌとＣｕの第２合金層を有している。第１合金層は、第２合金層よりも半導体層側に配置されている。
積層電極は、少なくとも第１合金層と第２合金層を有していればよく、さらに他の金属層を備えていてもよい。例えば、半導体層と第１合金層の間に、Ｍｇ又はＣｒの金属層が設けられていても良い。また、第１合金層と第２合金層の間に、Ａｌの金属層が設けられていても良い。上記した半導体装置の積層電極は、低温の熱処理で形成することができるとともに、III族窒化物の半導体層と接着性がよい。

本発明によると、III族窒化物の半導体層の表面に低温で形成することができるとともに、半導体層との接着性が向上した積層電極を提供することができる。

以下に説明する実施例の特徴を整理しておく。
（１）III族窒化物の半導体層の表面に、Ｍｇ又はＣｒの第１金属膜を形成する第１工程と、その第１金属膜の表面に、Ａｌの第２金属膜を形成する第２工程と、その第２金属膜の表面に、Ｃｕの第３金属膜を形成する第３工程と、第１工程、第２工程、及び第３工程を実施した後に、半導体層の温度が２３０℃以上４５０℃以下となる温度で１分から１２０分の熱処理をする熱処理工程を備えている。
（２）上記した熱処理工程は、半導体層の温度が３５０℃となる温度で１０分から６０分実施することが一層好ましい。
（３）半導体層の材料にはＧａＮ、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮを用いる。
（４）半導体層の裏面に積層電極を形成する時には、既にその半導体層の表面に表面電極が形成されている。
（５）表面電極の材料はＡｌ等であり、５００℃を越える温度で熱すると溶融してしまう。半導体層の裏面に積層電極を形成する際の熱処理工程は、この表面電極が溶融しない温度で実施する。
（６）積層電極を形成する際に、Ｃｕの第３金属膜は、その膜厚が１０μｍとなるように形成する。

図１に、半導体装置１の要部断面図を示す。半導体装置１は、AlNやSi₃N₄の絶縁基板１０と接続部２とＧａＮの半導体層８０と表面電極９０を備えている。絶縁基板１０と半導体層８０とが接続部２で接合されている。接続部２には、絶縁基板１０の表面１１に設けられているＣｕ膜２２と、ＣｕとＳｎの合金層である接合部Ｍ１と、Ｃｕの金属膜３４（第３金属膜３４という）と、ＡｌとＣｕの合金層３５（第２合金層３５という）と、半導体層８０の裏面８２に接しているＭｇとＡｌの合金層３７（第１合金層３７という）が積層されている。接続部２に含まれる複数種類の金属層は電気的に導通している。また、半導体層８０には、電気的機能を発揮するための半導体素子が形成されている。半導体素子の一例には、ＨＥＭＴ等のスイッチング素子が挙げられる。上記した接続部２は、半導体層８０内に形成されている半導体素子の一方の主電極である裏面積層電極として用いられている。その裏面積層電極のＣｕ膜２２にボンディングワイヤＷ１が接続されている。また、表面電極９０は、半導体層８０の表面８１に形成されている。表面電極９０の材料にはＡｌ等が用いられている。表面電極９０は、半導体層８０内に形成されている半導体素子の他方の主電極として用いられている。なお、図示していないが、絶縁基板１０の裏面には放熱板が接続されている。半導体装置１の動作時に半導体層８０に発生した熱が、放熱板に放熱される。

図２から図８を参照して半導体装置１の製造方法を説明する。
まず図２に示すように、ＧａＮの半導体層８０を準備する。半導体層８０内には、半導体素子を構成する各半導体領域（ドーパント領域やエピタキシャル成長領域等が含まれる）が既に形成されている。次に、半導体層８０の表面８１の一部に表面電極９０が形成される。

次に図３〜図５に示すように、電子線ビーム蒸着法やスパッタリング法を利用して、半導体層８０の裏面８２に、複数種類の金属膜を積層していく。なお、図３〜図５に示す半導体層８０は、図２に示す半導体層８０と上下を反対に配置してある。まず図３に示すように、半導体層８０の裏面８２に、膜厚が２０ｎｍのＭｇの第１金属膜３８を形成する。次に図４に示すように、第１金属膜３８上に、膜厚が２００ｎｍのＡｌの第２金属膜３６を形成する。次に、その第２金属膜３６上に、膜厚が１０μｍのＣｕの第３金属膜３４を形成する。次に図５に示すように、第３金属膜３４上に、膜厚が５μｍのＳｎの第４金属膜３２を形成する。

一方、図６に示すように、絶縁基板１０の表面１１にも、膜厚が１５０μｍのＣｕ膜２２を形成する。次にＣｕ膜２２上に、膜厚が５μｍのＳｎ膜２４を形成する。

次に図７に示すように、半導体層８０を絶縁基板１０上に載置する。この載置工程では、半導体層８０の裏面８２に積層された金属膜のうちの最外層であるＳｎの第４金属膜３２と、絶縁基板１０の表面１１に積層された金属膜のうちの最外層であるＳｎ膜２４を合わせる。合わせた面を接合面Ｓ１という。次に、半導体層８０の温度が３５０℃となる温度で、不活性雰囲気ガス中または還元性雰囲気ガス中において３０分の熱処理を実施する。これにより、第１金属膜３８のＭｇと第２金属膜３６のＡｌが合金化して、半導体層８０の裏面８２に接する第１合金層３７（図１参照）が形成される。また、第２金属膜３６のＡｌと第３金属膜３４のＣｕが合金化して、第１合金層３７に接する第２合金層３５が形成される。

同時に、第３金属膜３４のＣｕと絶縁基板１０側のＣｕ膜２２のＣｕとが、第４金属膜３２のＳｎと絶縁基板１０側のＳｎ膜２４のＳｎと合金化してCu₃Sn層（図１参照）となる。このCu₃Sn層によって接合部Ｍ１が形成される。接続部２が形成されて半導体層８０と絶縁基板１０が接合される。なお、第３金属膜３２のＣｕとＣｕ膜２２のＣｕは、全ては合金化しない。熱処理後も、第３金属膜３２の一部とＣｕ膜２２の一部が残存している。

本実施例の接続部２はＣｕの第３金属膜３４を備えている。Ｃｕを利用すると、半導体層８０に対する放熱効果を向上させることができる。また、Ｃｕは電気抵抗が低く安価であるので、電極材料としても優れている。本実施例の方法では、半導体層８０の裏面８２に、Ｍｇの第１金属膜３８とＡｌの第２金属膜３６とＣｕの第３金属膜３４とＳｎの第４金属膜３２を積層し、半導体層８０の温度が３５０℃となる温度で熱処理を実施することによって積層電極を形成している。ＭｇはIII族窒化物の半導体層８０との接着性が良い。また、この低い温度の熱処理であっても、ＭｇとＡｌは合金化する。ＡｌとＣｕも合金化する。ＣｕとＳｎも合金化する。このため、第１金属膜３８のＭｇと第２金属膜３６のＡｌは合金化して接合することができる。また、第２金属膜３６のＡｌと第３金属膜３４のＣｕは合金化して接合することができる。また、第３金属膜３４のＣｕと絶縁基板１０側のＣｕ膜２２のＣｕとが、第４金属膜３２のＳｎと、絶縁基板１０側のＳｎ膜２４のＳｎと合金化して接合部Ｍ１（Cu₃Sn層）を形成することができる。半導体層８０の裏面８２に、低温の熱処理で接着性の良い積層電極を形成することができる。

なお、半導体層８０を絶縁基板１０上に載置した後に熱処理をする際の温度と時間は、上記実施例に限定されるものではない。熱処理の温度は、半導体層８０の温度が２３０℃以上４５０℃以下となる温度であればよい。熱処理の時間は、１分から１２０分であればよい。この範囲であれば、熱処理工程で表面電極９０が溶融することを抑制するとともに、ＭｇとＡｌの第１合金層３７とＡｌとＣｕの第２合金層３５を形成することができる。また、熱処理の温度は、半導体層８０の温度が３００℃以上４００℃以下であり、熱処理の時間は、１０分から６０分であることが好ましい。この範囲であれば、表面電極９０が溶融することを一層抑制することができ、第１合金層３７と第２合金層３５を確実に形成することができる。また、熱処理の温度は、半導体層８０の温度が３５０℃となる温度であり、熱処理の時間は、３０分であることがさらに好ましい（上記した実施例の場合）。この場合には、表面電極９０が損傷することなく、放熱性に優れており電気抵抗の低い良好な特性の積層電極を形成することができることが確認されている。

また、積層電極の形成過程でＡｌの第２金属膜３６上に積層するＣｕの第３金属膜３４の膜厚は、上記実施例の限定されるものではない。第３金属膜３４の膜厚は、２μｍから２０μｍの間であればよい。膜厚が２μｍ以上あれば、第４金属膜３２に含まれるＳｎと第２金属膜３６のＡｌが第３金属膜３４を越えて合金化することが抑制される。また、膜厚が２０μｍ以下であれば、熱応力の影響が低減されて積層金属の剥離が抑制される。また、第３金属膜の膜厚は、５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。この範囲であれば、第４金属膜３２に含まれるＳｎと第２金属膜３６のＡｌが第３金属膜３４を越えて合金化することが一層抑制され、積層金属が剥離することが一層抑制される。また、第３金属膜の膜厚は、１０μｍであることがさらに好ましい（上記した実施例の場合）。この場合には、第４金属膜３２に含まれるＳｎと第２金属膜３６のＡｌの双方が合金化されることなく、半導体装置１が動作している時の冷熱サイクル等に起因する熱応力の影響によっても、積層電極が剥離しないことが確認されている。

本実施例では、熱処理後には、第１金属膜３８のＭｇと第２金属膜３６のＡｌは、両者とも全て合金化して残存しない場合について説明したが、第１金属膜３８のＭｇと第２金属膜３６のＡｌは、熱処理後に残存していてもよい。図８に示す半導体装置１ａのように両者が残存していてもよいし、一方が残存していてもよい。

本実施例では、半導体層８０の裏面８２側に金属膜を積層し、また絶縁基板１０の表面１１側に金属膜を積層し、両者を接合面Ｓ１で合わせた後に一度に熱処理を実施しているが、熱処理は複数回に分けて実施してもよい。例えば、半導体層８０の裏面８２側にＣｕの第３金属膜３２までを積層した時（図４に示した状態の時）に、一回目の熱処理を実施する。この際に、半導体層８０の温度が３５０℃となる温度で、５％の水素を含む窒素雰囲気中において３０分間の熱処理を実施する。これにより、第１金属膜３８のＭｇと第２金属膜３６のＡｌが合金化し、図９に示す第１合金層３７が形成されるとともに、第２金属膜３６のＡｌと第３金属膜３４のＣｕが合金化し、図９に示す第２合金層３５が形成される。次に、図１０に示すように、残存したＣｕの第３金属膜３４の表面に、Ｓｎの第４金属膜３２を形成する。あとは、本実施例の方法と同様に、半導体層８０側の第４金属膜３２と、絶縁基板１０側のＳｎ膜２４を接合面Ｓ１で合わせて（図７参照）二回目の熱処理を実施する。

また、半導体層８０側のＣｕの第３金属膜３４の表面にＳｎの第４金属膜３２を形成した時（図５に示した状態の時）に、一回目の熱処理を実施してもよい。
また、半導体層８０側のＣｕの第３金属膜３４と、絶縁基板１０側のＣｕ膜２２との間にＣｕ−Ｓｎ系のはんだ材料を配して熱処理を実施し、これによって接合部Ｍ１を形成してもよい。この方法によると、半導体層８０側と絶縁基板１０側の各々に、Ｓｎの金属膜（第４金属膜３２とＳｎ膜２４）を積層する工程を実施せずに接合部Ｍ１を形成することができる。

本実施例では、半導体層８０と絶縁基板１０が接合されている半導体装置１について説明したが、半導体装置は、半導体層８０と他の部材が接合されているものであってもよい。また、少なくとも半導体層８０と、第１金属膜３８のＭｇと第２金属膜３６のＡｌが合金化した第１合金層３７と、第２金属膜３６のＡｌと第３金属膜３４のＣｕが合金化した第２合金層３５を備えていればよく、積層電極を介して他の部材（本実施例では絶縁基板１０）と接合されていない状態をもって半導体装置と言ってもよい。この場合には、半導体層８０の裏面８２に形成されている最内層（第１合金層３７あるいは第１金属膜３８）からＣｕの第３金属膜３４までの複数層の金属膜を積層電極と称してもよいし、Ｓｎの第４金属膜３２までの複数層の金属膜を積層電極と称してもよい。

本実施例では、半導体層８０の材料としてＧａＮを用いる場合について説明したが、半導体層８０の材料はIII族窒化物であればよい。例えば、半導体層８０の材料は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ等であってもよい。
本実施例では、第１金属膜３８の材料がＭｇである場合について説明したが、第１金属膜３８の材料がＣｒであってもよい。この場合にも本実施例と同様の作用効果を得ることができる。

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。
また、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合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合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し得るものであり、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。

半導体装置１の要部断面図を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１ａの要部断面図を示す。 半導体装置１の別の製造方法の工程を示す。 半導体装置１の別の製造方法の工程を示す。 従来の半導体装置１００の要部断面図を示す。

符号の説明

１，１ａ：半導体装置
２：接続部
１０：絶縁基板
１１：表面
２２：Ｃｕ膜
２４：Ｓｎ膜
３２：第４金属膜
３４：第３金属膜
３５：第２合金層
３６：第２金属膜
３７：第１合金層
３８：第１金属膜
８０：半導体層
８１：表面
８２：裏面
９０：表面電極
Ｍ１：接合部
Ｓ１：接合面
Ｗ１：ボンディングワイヤ

Claims (8)

1. III族窒化物の半導体層の少なくとも一方の表面に積層電極を形成する方法であり、
   半導体層の前記表面にＭｇ又はＣｒの第１金属膜を形成する第１工程と、
   その第１金属膜上にＡｌの第２金属膜を形成する第２工程と、
   その第２金属膜上にＣｕの第３金属膜を形成する第３工程と、
   を備えている積層電極形成方法。
2. 第１工程、第２工程、及び第３工程を実施した後に、第１金属膜、第２金属膜及び第３金属膜を熱処理する熱処理工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の積層電極形成方法。
3. 前記熱処理工程では、半導体層の温度が４５０℃以下で熱処理をすることを特徴とする請求項２に記載の積層電極形成方法。
4. 第３工程と熱処理工程の間に、第３金属膜上に少なくともＳｎを含む第４金属膜を形成する工程をさらに備えており、
   熱処理工程では、第４金属膜に含まれるＳｎと第２金属膜のＡｌの双方を含む合金層が形成されないことを特徴とする請求項２又は３に記載の積層電極形成方法。
5. 第３金属膜の膜厚が２μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の積層電極形成方法。
6. 第３金属膜の膜厚が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層電極形成方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層電極形成方法を備える半導体装置の製造方法。
8. III族窒化物の半導体層と、
   半導体層の少なくとも一方の表面に設けられている積層電極と、を備えており、
   積層電極は、ＭｇとＡｌ又はＣｒとＡｌの第１合金層と、ＡｌとＣｕの第２合金層を有し、
   第１合金層が第２合金層よりも半導体層側に配置されていることを特徴とする半導体装置。

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