JP5825272B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明はCu配線電極を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a Cu wiring electrode and a method for manufacturing the same.
従来、パワー用途等で用いられる半導体装置の配線材料にはAl(アルミニウム)系材料が用いられている。従来の半導体装置は200℃未満で動作されているが、半導体素子の高温での動作が要求されるに伴い、200℃以上の高温動作においては相互反応や酸化などにより半導体装置の信頼性が低下するAlに代わる配線材料として、200℃以上の高温で用いることができるCu(銅)が注目されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, Al (aluminum) -based materials have been used as wiring materials for semiconductor devices used for power applications and the like. Conventional semiconductor devices are operated at temperatures below 200 ° C. However, as semiconductor devices are required to operate at high temperatures, reliability of the semiconductor devices is reduced due to mutual reaction, oxidation, etc. at high temperatures above 200 ° C. As a wiring material that replaces Al, Cu (copper) that can be used at a high temperature of 200 ° C. or more has attracted attention (for example, see Patent Document 1).
配線電極は放熱性と配線抵抗の観点から一定の厚みが要求されるが、特に、高温動作させる半導体装置では配線電極の厚みが大きいことが望ましい。高温用の配線電極としてCuもしくはCuを含む金属を使用した場合、Cu配線電極は厚く形成されるため、Cu配線電極が設けられた半導体素子の表面段差が大きくなり、有機樹脂が被覆する際に有機樹脂の充填不良が生じやすい。有機樹脂膜とCu配線電極間に充填不良による空孔部が形成されると、空孔部に電荷が蓄積され、半導体素子の破壊につながる。そのため、半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。 The wiring electrode is required to have a certain thickness from the viewpoints of heat dissipation and wiring resistance. In particular, it is desirable that the wiring electrode be thick in a semiconductor device that operates at a high temperature. When Cu or a metal containing Cu is used as the wiring electrode for high temperature, the Cu wiring electrode is formed thick, so that the surface step of the semiconductor element provided with the Cu wiring electrode becomes large, and the organic resin is coated. Poor filling of organic resin is likely to occur. When a hole portion due to poor filling is formed between the organic resin film and the Cu wiring electrode, charges are accumulated in the hole portion, leading to destruction of the semiconductor element. Therefore, there is a problem that the reliability of the semiconductor device is lowered.
そこで、従来の半導体装置では、Cu配線電極の裾部にP−SiN膜の凸部を設け、Cu配線電極の裾部に有機樹脂膜の充填不良を抑制した構造が用いられている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, a conventional semiconductor device uses a structure in which a convex portion of a P-SiN film is provided at the skirt portion of the Cu wiring electrode and the filling failure of the organic resin film is suppressed at the skirt portion of the Cu wiring electrode (for example, Patent Document 2).
従来のCu配線電極を用いた半導体装置では、Cu配線電極の裾部に有機樹脂膜の充填不良を抑制するためには、Cu配線電極の裾部に凸部を設けるためにP−SiN膜の形成プロセスが必要であったため、半導体装置の製造プロセスが複雑になるという問題があった。 In a conventional semiconductor device using a Cu wiring electrode, in order to suppress poor filling of the organic resin film at the skirt of the Cu wiring electrode, a P-SiN film is used to provide a protrusion at the skirt of the Cu wiring electrode. Since the formation process was necessary, there was a problem that the manufacturing process of the semiconductor device was complicated.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、単純な製造プロセスで、Cu配線電極を被覆する有機樹脂膜のCu配線電極裾部の充填不良を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses the filling failure of the Cu wiring electrode skirt portion of the organic resin film covering the Cu wiring electrode by a simple manufacturing process, and is reliable. An object is to provide a highly reliable semiconductor device.
この発明に係る半導体装置は、半導体素子と、半導体素子上の一部に設けられたCuを主成分とする第1の金属層と、第1の金属層の上面に設けられたCuを主成分とする第2の金属層と、第1の金属層の側面と第2の金属層の側面とを被覆する有機樹脂と、を備え、第1の金属層の側面が、第2の金属層の底部の側面より突出し、第1の金属層の密度が、第2の金属層の密度と異なること特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, a first metal layer mainly comprising Cu provided on a part of the semiconductor element, and Cu mainly provided on the upper surface of the first metal layer. A second metal layer, and an organic resin covering the side surface of the first metal layer and the side surface of the second metal layer, and the side surface of the first metal layer is the second metal layer It protrudes from the side surface of the bottom, and the density of the first metal layer is different from the density of the second metal layer .
この発明によれば、第1の金属層の側面が、第2の金属層の底部の側面より突出し、第1の金属層の密度が、第2の金属層の密度と異なることによって、単純な製造プロセスで配線電極の裾部の有機樹脂の充填不良を抑制した信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
According to the invention, the side surface of the first metal layer is, protrudes from the side surface of the bottom of the second metal layer, the density of the first metal layer, by which is different from the density of the second metal layer, single net the skirt organic resins of defective filling of the wiring electrode can be obtained a highly reliable semiconductor device with suppressed at Do manufacturing process.
実施の形態1.
まず、この発明の実施の形態1における半導体装置の構成を説明する。本実施の形態では、半導体装置の半導体素子としてn型の炭化珪素ショットキーバリアダイオードを用いた場合を一例として説明する。
First, the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a case where an n-type silicon carbide Schottky barrier diode is used as a semiconductor element of a semiconductor device will be described as an example.
図1は、実施の形態1における半導体装置の構成を説明するための断面図であり、半導体素子をn型の炭化珪素ショットキーバリアダイオードとした場合の断面の左半分を示す。つまり、本実施の形態における半導体装置の断面は、図1を右側に左右対象に折り返した構造となる。 FIG. 1 is a cross-sectional view for illustrating the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment, and shows a left half of a cross section when the semiconductor element is an n-type silicon carbide Schottky barrier diode. That is, the cross section of the semiconductor device in this embodiment has a structure in which FIG.
図1が示す半導体装置を構成する半導体素子である炭化珪素ショットキーバリアダイオードは、n型の炭化珪素からなる基板1の主面に、n型の炭化珪素層であるドリフト層2がエピタキシャル成長法により形成されている。
In a silicon carbide Schottky barrier diode which is a semiconductor element constituting the semiconductor device shown in FIG. 1, a
ドリフト層2の表層側に、ショットキー電極6の端部の位置に跨って、リング状のガードリング領域3が、さらにショットキー電極6の端部から所定の距離に接合終端拡張領域であるJTE(Junction Termination Extension)領域4が、それぞれ隣接して形成されている。
On the surface layer side of the
ショットキー電極6は、ガードリング領域3及びJTE領域4が形成されたドリフト層2の表面に、ガードリング領域3の一部を覆う位置から内周側に形成されている。ショットキー電極6の上面には、表面バリアメタル層7、第3の金属層9が形成されている。さらに、第3の金属層9の上面には、上から順に、表面外部出力電極である第2の金属層である第2のCu層11と、表面外部出力電極である第2のCu層11を形成するためのシード層であり、第1の金属層である第1のCu層10とが形成されている。つまり、本実施の形態ではCu配線電極は第1の金属層と、この第1の金属層の上面に設けられた第2の金属層とからなり、いずれも第3の金属層9の上面に形成されている。ドリフト層2の表面上に積層された、ショットキー電極6と表面バリアメタル層7と第3の金属層9と第1のCu層10と第2のCu層11のそれぞれの外周部と、ドリフト層2の表面とは、有機樹脂からなる表面保護膜12により被覆されている。
The Schottky
ここで、第1のCu層10はCuを主成分とする第1の金属層であり、第2のCu層はCuを主成分とする第2の金属層である。第1の金属層及び第2の金属層はCuもしくはCu合金であればよく、さらに、不純物を含んでいても良い。
Here, the
基板1の裏面にはオーミック電極層5が形成され、さらに、このオーミック電極層5の裏面に裏面バリアメタル層8が形成されている。裏面バリアメタル層8の裏面には、裏面外部出力電極13が形成されている。以上の構成で、図1に示す半導体装置となる。
An
図1で示す半導体装置の構成のうち、第3の金属層9と第1のCu層10と第2のCu層11と表面保護膜12と裏面外部出力電極13とを除く部分が半導体素子であり、本実施の形態ではn型の炭化珪素ショットキーバリアダイオードである。つまり、本実施の形態では、半導体素子であるn型の炭化珪素ショットキーバリアダイオードに第1のCu層10と第2のCu層11とからなるCu配線電極が施され、第1のCu層10の側面と、第2のCu層の側面と上面コーナー部と、半導体素子の表面であるドリフト層2の表面とショットキー電極6の側面と表面バリアメタル層7の側面及び上面コーナー部と第3の金属層9の側面とが、表面保護膜12で被覆されている。さらに、半導体素子であるn型の炭化珪素ショットキーバリアダイオードの裏面には、裏面外部出力電極13が形成されている。
In the configuration of the semiconductor device shown in FIG. 1, a portion excluding the
ここで、図1に示される本実施の形態の炭化珪素ショットキーバリアダイオードを半導体素子とする半導体装置は、第1のCu層10と第2のCu層11とからなるCu配線電極の裾部17に、第1のCu層10の突出部15が設けられている。図1において、裾部17は第1のCu層10と第2のCu層11のうち破線で囲まれた領域であり、拡大図を図1中に示している。Cu配線電極の裾部17に設けられた突出部15により、第2のCu層11の底部において、第2のCu層11の底部の側面18が、第1のCu層10の側面より凹んでいる。図1において、第2のCu層11の底部の側面18は、Cu配線電極の裾部17において第2のCu層11が第1のCu層10と接する点付近の側面である。つまり、本実施の形態では、第1のCu層10の側面が、第2のCu層11の底部の側面18より突出している。
Here, the semiconductor device using the silicon carbide Schottky barrier diode of the present embodiment shown in FIG. 1 as a semiconductor element has a skirt portion of a Cu wiring electrode composed of a
本実施の形態では、突出部15により、Cu配線電極の裾部17の充填不良を抑制することができる。つまり、P−SiN膜等無機絶縁膜を用いることなく、Cu配線電極の裾部17の表面保護膜12の充填不良を改善できる。
In the present embodiment, the
次に、この発明の実施の形態1における炭化珪素ショットキーバリアダイオードを半導体素子とする半導体装置の製造方法について説明する。図2及び図3は、この発明の実施の形態1における炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造方法を示す断面図である。尚、図2及び図3においても、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの断面のうち左側半分を示している。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device using the silicon carbide Schottky barrier diode according to the first embodiment of the present invention as a semiconductor element will be described. 2 and 3 are sectional views showing a method for manufacturing the silicon carbide Schottky barrier diode according to the first embodiment of the present invention. 2 and 3 also show the left half of the cross section of the silicon carbide Schottky barrier diode.
図2は、本実施の形態における半導体装置を構成する炭化珪素ショットキーバリアダイオードのJTE領域4形成までの製造方法を示す断面図である。基板1は、高濃度のn型(n+型)不純物密度を有する炭化珪素基板である。本実施の形態では、基板1は炭化珪素からなるが、例えばシリコンショットキーバリアダイオードを半導体素子とする場合はシリコンからなる基板を用いることとなる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing method up to formation of
まず、基板1の主面に、低濃度のn型(n−型)不純物密度を有する炭化珪素層であるドリフト領域2が、エピタキシャル成長法により形成される。
First, drift
次に、写真製版技術によりレジストパターンをパターニング形成し、このレジストパターンをマスクとして、ガードリング領域3にAlイオンを注入する。
Next, a resist pattern is patterned by photolithography, and Al ions are implanted into the
さらに、ガードリング領域3の外周側に連続したJTE領域4の位置に、ガードリング層3より不純物濃度が薄いAlイオンを注入する。
Further, Al ions having an impurity concentration lower than that of the
次に、ガードリング領域3、JTE領域4に注入されたAlイオンを活性化させるためにアニール(熱処理)を行う。1500℃以上の、例えば1700℃の高温でアニールすることにより、Alイオンが活性化され、p型のガードリング領域3とp型のJTE領域4が形成される。
Next, annealing (heat treatment) is performed to activate Al ions implanted in the
次に、基板1の裏面に、例えばスパッタ法によりNiを成膜して、ランプアニール法により1000℃程度でアニールして、裏面にNiSiのオーミック電極層5を形成する。
Next, Ni is deposited on the back surface of the
図3は、本実施の形態における半導体装置を構成する炭化珪素ショットキーバリアダイオードの裏面バリアメタル層8形成までの製造方法を示す断面図である。ドリフト層2の表面に、ショットキー電極6を、Ti、Mo、Ni等のターゲットを用いて、例えばスパッタ法で成膜する。膜厚は50nm〜500nmとする。ショットキー電極6は、ドリフト層2の表面全面に成膜される。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing method until formation of back surface
さらに、ショットキー電極6の表面全面に、TiNを表面バリアメタル層7として例えばスパッタ法で成膜する。膜厚は10nm以上が望ましい。表面バリアメタル層7は、配線電極からショットキー電極6への配線電極材料の拡散防止の目的等で施される。
Further, TiN is formed as a surface
次に、オーミック電極層5の裏面に、耐薬品性、低抵抗の裏面バリアメタル層8を、例えばスパッタ法で成膜する。裏面バリアメタル層8は、例えば、TaN,TiN,TiWN,WN,WSiN単体もしくはTiとの積層体で形成される。
Next, a chemical-resistant, low-resistance back
次に、表面バリアメタル層7の表面に、写真製版によるレジストパターンからなるエッチングマスク14を形成する。エッチングマスク14は、図3の点線で囲んだ領域のように、残したい表面バリアメタル層7の上部を覆うように形成される。表面バリアメタル層7の金属が、例えばTiNの場合は、過酸化水素水、または過酸化水素水とアンモニア水、または塩酸の混合溶液で、表面バリアメタル層7をウェットエッチングする。
Next, an
さらに、ショットキー電極6の金属が、例えばTiの場合、フッ酸を希釈した溶液で、ショットキー電極6をウェットエッチングする。ウェットエッチング後に、エッチングマスク14は有機溶剤を用いたウェット処理もしくは酸素プラズマを用いたアッシング処理で除去される。
Further, when the metal of the
次に、ショットキー接合の障壁高さ(φb)など、特性安定化のために、熱処理(シンター)を施す。 Next, heat treatment (sinter) is performed to stabilize characteristics such as the barrier height (φ b ) of the Schottky junction.
これにより、エッチングマスク14である点線部分を除く図3の断面で示される構成が得られる。また、図3で示される構造が、本実施の形態の半導体素子である炭化珪素ショットキーバリアダイオードの構造である。つまり、ここまでで本実施の形態で用いられる半導体素子が得られる。
Thereby, the structure shown in the cross section of FIG. 3 excluding the dotted line portion which is the
図4〜図10は、図3で得られた半導体素子である炭化珪素ショットキーバリアダイオードに、Cu配線電極及び表面保護膜を形成して半導体装置を製造する方法を説明するための断面図である。尚、図4〜図10においても、半導体装置の断面のうち左側半分を示している。 4 to 10 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a semiconductor device by forming a Cu wiring electrode and a surface protective film on the silicon carbide Schottky barrier diode which is the semiconductor element obtained in FIG. is there. 4 to 10 also show the left half of the cross section of the semiconductor device.
図4は、本実施の形態における半導体装置の第2のCu層11形成までの製造方法を示す断面図である。まず、図3で形成された表面バリアメタル層7の上面に、例えばTiなどの第3の金属層9を成膜する。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing method up to formation of the
第3の金属層9は、図4において、表面バリアメタル層7とCu配線電極との密着性を改善するために挿入される。
In FIG. 4, the
また、第3の金属層9は図4のようにドリフト層2の表面にも形成されるので、このドリフト層2の表面に形成された第3の金属層9がドリフト層2の表面に直接Cu配線電極が形成されることを防止する。ドリフト層2とCu配線電極との間に、第3の金属層9が設けられることで、この第3の金属層9がCuに関するバリアメタルとしても機能し、Cu配線電極から炭化珪素であるドリフト層2へCuが拡散することを抑制できる。
Since the
つまり、第3の金属層9は密着性改善と、Cu拡散防止のために設けられている。しかしながら、例えば、表面バリアメタル層7の材料によっては第3の金属層9がなくても密着性が十分確保できる場合がある。また、本実施の形態と異なる製造法(例えば、第1のCu膜10を表面バリアメタル層7の上面のみに、リフトオフ形成)により、ドリフト層2へのCu拡散が問題とならない場合がある。このような場合には、第3の金属層9はなくてもよい。
That is, the
本実施の形態では、第3の金属層9をドリフト層2の表面と、表面バリアメタル層7の上面に設け、第3の金属層9の上面に、Cuメッキ成膜(第2のCu層11)の下地となるCuもしくはCu合金膜である第1のCu層10を熱蒸着、電子ビーム蒸着及びスパッタなどのPVD法、あるいは有機金属等のガスを用いたメタルCVD法などで堆積する。厚さは100〜1000nmとする。
In the present embodiment, the
本実施の形態では、後述するようにCu配線電極の裾部17に第1のCu層10の突出部15を形成するために、第1のCu層10は必須である。第1のCu層10の上面には、第2のCu層11をメッキ成膜により形成するが、Cu配線電極としてCuメッキ成膜を用いるためには、下地としてCuもしくはCu合金膜を用いることが望ましい。
In the present embodiment, the
第1のCu層10を形成することなく、Cuが主成分でない表面バリアメタル層7上に直接Cuメッキ成膜を行うと、表面バリアメタル層7の成分を反映してCuメッキ成膜が形成されるので、Cuメッキ成膜の膜質が悪くなる。具体的には、ボイドが形成されたり、Cuメッキ成膜の抵抗が上昇したり、Cuメッキ成膜の面内分布が劣化したりする。
When the Cu plating film is formed directly on the surface
本実施の形態では、CuもしくはCu合金膜を第1のCu層10として用いることにより、上記のような問題が生じない、膜質の優れたCuメッキ成膜が得られる。つまり、第1のCu層10により本実施の形態が実現できるが、第1のCu層10を用いることによりCu配線電極として品質の良いCuメッキ成膜を形成できるという効果もある。
In the present embodiment, by using Cu or a Cu alloy film as the
また、表面バリアメタル層7の表面に直接Cuメッキ成膜を行うと、表面バリアメタル層7の材料によっては表面バリアメタル層とCuメッキ成膜との密着性が悪くなる場合があるが、本実施の形態では、密着性の高いCu配線電極が得られる。
Further, when Cu plating film formation is performed directly on the surface of the surface
次に、レジストを塗布、露光、現像することで第1のCu層10の上面の、第2のCu層11の成膜させたくない部分に、レジストをパターニングしてレジストマスク20を形成する。すなわち、第2のCu層11が第1のCu層10上の中央側に成膜され、周辺側に成膜されないように、第1のCu層10上中央側が開口するようにパターニングされたレジストマスク20を形成する。
Next, a resist
レジストマスク20の高さは、次にめっき法にて堆積する第2のCu層11の高さよりも低くすることが望ましい。レジストマスク20の高さが、第2のCu層11より低ければ、第2のCu層11の上面コーナー部は、レジストマスク20の側壁の形状を反映して、図4中の一点鎖線で囲まれた上面コーナー部に丸み16が付きにくくなるからである。
It is desirable that the height of the resist
レジストマスク20の高さが、第2のCu層11の厚さの差dは、たとえば、0.5umより大きいと、ある程度の丸み16が形成される。
If the height d of the resist
図4では、レジストマスク20の側壁には、テーパがついている。レジストマスク20の厚みが厚い場合には、レジストの露光、現像の際に、図4のような順方向のテーパが付きやすい。しかしながら、たとえばレジストマスク20の厚みが薄い場合など、テーパが付いていなくても本実施の形態の効果は得られる。
In FIG. 4, the side wall of the resist
つまり、Cu配線電極の厚みを厚くしようとすると、レジストマスク20の厚みが厚くなり、レジストマスク20の側壁にはプロセス上テーパが付きやすい。レジストマスク20の側壁に順方向のテーパが付くと、Cu配線電極の側面にも逆方向のテーパが付き、裾部17の有機樹脂膜の充填不良が起こりやすい。したがって、本実施の形態を用いる効果はCu配線電極が厚いほど大きい。
That is, when the thickness of the Cu wiring electrode is increased, the thickness of the resist
次に、第2のCu層11をメッキ法により成膜する。Cuメッキ膜は、第1のCu層10の上面のうち、レジストマスク20の形成されてない領域に成膜され、レジストマスク20の側壁に沿って形状が形どられる。
Next, the
Cuメッキ膜がレジストマスク20の高さを越えた位置から、等方的にCuが成膜されるために、第2のCu層11の上面コーナー部の形状は丸くなり、表面保護膜12が被覆される際に局所的な応力が発生しなくなる。
Since Cu is deposited isotropically from the position where the Cu plating film exceeds the height of the resist
第2のCu層11であるCuメッキ膜の厚さは、例えば、5〜100um程度であれば裾部17の充填不良が起こりやすくなる。
If the thickness of the Cu plating film that is the
このような方法によれば、第2のCu層11の上面コーナー部に丸みの程度は十分とはいえないかもしれないが、ある程度の丸み16が設けられ、上面コーナー部の樹脂充填不良を抑制できる。
According to such a method, although the degree of roundness may not be sufficient at the upper surface corner portion of the
第2のCu層11は、第1のCu層10と密度の異なるCu若しくはCu合金にしても良いし、密度の等しいCu若しくはCu合金にしても良い。
The
図5は、本実施の形態における半導体装置のレジストマスク20の除去までの製造方法を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing method until the removal of the resist
図5では、図4におけるレジストマスク20を有機溶剤または、酸素プラズマ処理などで除去する。
In FIG. 5, the resist
図6は、本実施の形態における半導体装置の表面保護膜12形成前までの製造方法を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing method until the surface
まず、硫酸、塩酸、酢酸、燐酸、硝酸、フッ酸などの酸溶液やこれらの混合溶液、またこれらに過酸化水素を加えたものをエッチング液として用いて、第1のCu層10をウェットエッチングする。ここで、ドリフト層2上の第1のCu層10は全てエッチングすることが必要である。
First, wet etching is performed on the
ドリフト層2上の第1のCu層10をウェットエッチングする際、表面バリアメタル層7上の第1のCu層10及び第2のCu層11の露出領域もウェットエッチング液に曝される。従って、図5で示される構造で、第1のCu層10と、第2のCu層11がウェットエッチング液に曝される箇所は、ある程度エッチングされる。
When the
ここで、第1のCu層10と、第2のCu層11のエッチング時の選択比が1である場合、つまり、第1のCu層10と第2のCu層11の密度が等しい場合、図5の第1のCu層10と、第2のCu層11の、エッチングされる領域のエッチング深さは、ウェットエッチング液に曝される面から等しい距離となる。
Here, when the selection ratio during the etching of the
エッチング深さが、第1のCu層10の厚みと等しい場合に、エッチング前後を説明するための断面図を図7(a)に示す。第1のCu層10と第2のCu層11は、図7(a)の、エッチング液に曝される面から矢印の向きにエッチングされ、一点鎖線で示される断面となる。
FIG. 7A is a cross-sectional view for explaining before and after etching when the etching depth is equal to the thickness of the
この場合、Cu配線電極の裾部17には、第1のCu層10の突出部15が形成されていることが分かる。つまり、第1のCu層10の側面は、第2のCu層11の底部の側面18より突出している。
In this case, it can be seen that the
次に、第1のCu層10に対し、第2のCu層11のエッチング時の選択比が1より大きい場合、つまり、第1のCu層10と第2のCu層11の密度が異なるとする。この場合、図5の第1のCu層10と、第2のCu層11の、エッチングされる領域のエッチング深さは、ウェットエッチング液に曝される面から異なる距離となる。この場合、例えば、図7(a)に対し、図7(b)で示されるようなエッチングを行うことができる。
Next, when the etching ratio of the
つまり、第1のCu層10と第2のCu層11の密度が異なると、エッチング速度が変わる。
That is, when the density of the
なお、第1のCu層10と第2のCu層11の密度は、それぞれの形成プロセスのプロセス条件に依存するので、それぞれのプロセス条件を変えることでそれぞれの密度を変えることができる。
In addition, since the density of the
また、エッチング速度を変えるには、第1のCu層10にCu以外の不純物を含ませる方法が挙げられる。具体的には、第1のCu層10に0.1%以上のCu以外の不純物を含ませることにより、1.1以上の選択比を実現できる。
Further, in order to change the etching rate, there is a method in which impurities other than Cu are included in the
選択比を1より大きくすると、選択比と、エッチング条件によって、突出部15の形状を所望の形状にすることができる。
When the selection ratio is greater than 1, the shape of the
例えば、選択比を大きくすることによって、突出部15の形状を大きくすることができる。選択比が1.1以上であれば、突出部15の形状を大きくしやすい。
For example, the shape of the
また、例えばエッチング時間を長くすることによって、突出部15の形状を大きくすることが可能である。
For example, the shape of the
さらに、第1のCu層10の厚みを厚くすることによって、突出部15の形状を大きくすることが可能である。
Furthermore, by increasing the thickness of the
これらの条件を組み合わせることにより、所望の形状の突出部15を形成することができる。
By combining these conditions, the
次に、第1のCu層10及び第2のCu層11をマスクにして、第3の金属層9をフッ酸により除去する。
Next, the
さらに、第2のCu層11の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により、表面平坦化を目的として表面形状の改質を行う。
Further, the surface shape of the
図8は、本実施の形態における半導体装置の表面保護膜12形成までの製造方法を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing method up to the formation of the surface
ショットキー電極6と、表面バリアメタル層7と、第3の金属層9と、第1のCu層10と、第2のCu層11が積層されたドリフト層2の表面を、たとえばポリイミド膜などの表面保護膜12で覆われるように、スピンコート法等で表面保護膜12を形成する。
The surface of the
このとき、Cu配線電極の裾部では充填不良が発生しやすい。Cu配線電極の裾部では、図7のように表面バリアメタル層7とCu配線電極の側面で形成される角部の形状を表面保護膜12が充填する必要があるが、スピンコート法等で表面保護膜12を塗布形成する場合、角部となるCu配線電極の裾部には十分に塗布しにくい。また、例えば、表面保護膜12を蒸着法などで形成する場合、Cu配線電極の側面が逆テーパであると、Cu配線電極の裾部には表面保護膜12が蒸着されない。このように、Cu配線電極を表面保護膜12で被覆する際、Cu配線電極の裾部には充填不良が発生しやすい。
At this time, filling failure tends to occur at the skirt portion of the Cu wiring electrode. In the skirt portion of the Cu wiring electrode, it is necessary to fill the shape of the corner formed by the surface
図9に、本実施の形態を用いれば充填不良が改善できることの説明をするためのCu配線電極の裾部を拡大した断面図を示す。図9では、簡単のために、Cu配線電極のテーパと第3の金属層9とを省略している。
FIG. 9 shows an enlarged cross-sectional view of the skirt portion of the Cu wiring electrode for explaining that filling failure can be improved by using this embodiment. In FIG. 9, the taper of the Cu wiring electrode and the
まず、Cu配線電極の裾部が突出していない場合、図9(a)のように、第1のCu層10と第2のCu層11からなるCu配線電極と表面バリアメタル層7との角部P1に、図中点線で囲まれた領域の様な空孔部が発生する。この空孔部の体積が大きいほど空孔部に蓄積される電荷量が多くなり、半導体装置の信頼性が低下する。
First, when the skirt portion of the Cu wiring electrode does not protrude, the corner between the Cu wiring electrode made of the
本実施の形態を用いて図9(b)のように、図9(a)の場合の空孔部(図9(b)中点線で囲まれた領域)より小さい体積の突出部15が形成できているとする。この場合、図9(a)の場合の空孔部の体積の一部を突出部15が占めているので、図9(b)の空孔部の体積は、図9(a)の空孔部の体積から突出部15の体積を減じた体積となる。そのため、突出部15によって空孔部の体積を本実施の形態を用いない図9(a)の場合より小さくすることができ、空孔部に蓄積される電荷量が低減できるので半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
Using this embodiment, as shown in FIG. 9B, the protruding
図9(b)のような場合、突出部15の形状がどのような形状であっても、空孔部の体積を小さくする効果が得られる。
In the case of FIG. 9B, the effect of reducing the volume of the hole is obtained regardless of the shape of the
次に、図9(c)で示すように、突出部15のない場合の空孔部より大きい体積の突出部15を形成した場合について説明する。この場合、突出部15は、点線で囲まれる空孔部を全て占めた構造となっているため、角部P1に発生する空孔部は完全に解消できる。しかし、突出部15の形状によっては、第1のCu層10の表面と第2のCu層11の側面とからなる角部P2や、第1のCu層10の側面と表面バリアメタル層7の表面とからなる角部P3のように、新たな角部が発生する。そのため、角部P1の充填不良を防ぐことができても、これらの角部P2または角部P3に有機樹脂の充填不良が生じる可能性がある。
Next, as shown in FIG. 9C, the case where the protruding
図9(d)に有機樹脂を塗布した際の断面形状を示す。有機樹脂は粘性があるため、Cu配線電極の表面から表面バリアメタル層7の表面との間の段差部分では、図9(d)の一点鎖線で示したような有機樹脂の液面高さになる。図9(d)において、有機樹脂は一点鎖線の上側となる。図9(d)のように塗布された状態の有機樹脂を、スピンコートすることによってCu配線電極の裾部まで充填するのだが、ここで、角部P1、角部P2、角部P3における有機樹脂の充填のしやすさを考える。 FIG. 9D shows a cross-sectional shape when an organic resin is applied. Since the organic resin is viscous, the liquid level of the organic resin as shown by the one-dot chain line in FIG. Become. In FIG. 9D, the organic resin is on the upper side of the alternate long and short dash line. The organic resin in the applied state as shown in FIG. 9D is filled up to the bottom of the Cu wiring electrode by spin coating. Here, the corner P 1 , the corner P 2 , and the corner P Consider the ease of filling in 3 with an organic resin.
有機樹脂の充填のしやすさのパラメータの1つに、塗布段階の有機樹脂からの距離が挙げられる。角部P1、角部P2、角部P3から有機樹脂までの距離は、図9(d)中、それぞれh1、h2、h3で示される距離となる。図9(d)から分かるように、h1はh2及びh3より大きい。つまり、角部P2、角部P3は有機樹脂までの距離が角部P1より近い。そのため、角部P2、角部P3は角部P1よりも有機樹脂の充填がされやすいと言える。従って、本実施の形態を用いれば、図9(a)の場合の有機樹脂の充填不良が起こりにくくなり、従来(図9(a)の場合)の有機樹脂の充填不良を抑制し、半導体装置の信頼性低下を抑制する効果が得られる。 One of the parameters of the ease of filling with the organic resin is the distance from the organic resin at the coating stage. The distances from the corner portion P 1 , the corner portion P 2 , and the corner portion P 3 to the organic resin are distances indicated by h 1 , h 2 , and h 3 in FIG. 9D, respectively. As can be seen from FIG. 9 (d), h 1 is larger than h 2 and h 3 . That is, the corners P 2 and P 3 are closer to the organic resin than the corners P 1 . Therefore, it can be said that the corner portion P 2 and the corner portion P 3 are more easily filled with the organic resin than the corner portion P 1 . Therefore, if this embodiment is used, the organic resin filling failure in the case of FIG. 9A is less likely to occur, the organic resin filling failure in the conventional case (in FIG. 9A) is suppressed, and the semiconductor device The effect which suppresses the reliability fall of this is acquired.
また、本実施の形態でたとえ角部P2に有機樹脂の充填不良が生じたとしても、半導体素子からの距離は角部P1より遠いため、蓄積される電荷の半導体素子への影響は従来に比べて低い。 Further, even if the corner portion P 2 is defective filling of the organic resin produced in the present embodiment, the distance from the semiconductor device for farther than the corner portions P 1, the influence on the semiconductor device of the charge accumulated prior Low compared to
さらに、有機樹脂の充填のしやすさのパラメータの1つに角部の角度が挙げられる。角部P2及び角部P3の角度が、角部P1の角度より大きければ、角部P1より有機樹脂を充填しやすくなる。 Further, one of the parameters for ease of filling with the organic resin is the angle of the corner. Angle of the corner P 2 and corners P 3 is greater than the angle of the corner portions P 1, consisting of the corners P 1 easily fill the organic resin.
このように、本実施の形態を用いれば、Cu配線電極の裾部における有機樹脂の充填不良を抑制できる。本実施の形態を用いた場合で空孔部が発生したとしても、本実施の形態を用いない場合に比べて空孔部の体積を小さくでき、蓄積される電荷量を低減できるので、半導体装置の信頼性低下を抑制することができる。 Thus, if this Embodiment is used, the filling defect of the organic resin in the skirt part of Cu wiring electrode can be suppressed. Even if a vacancy portion is generated in the case where this embodiment is used, the volume of the vacancies can be reduced as compared with the case where this embodiment is not used, and the amount of accumulated charge can be reduced. Can be suppressed.
本実施の形態では、充填不良が発生しやすく、空孔部となりやすいCu配線電極の裾部には第1のCu層10の突出部15を設けているので、表面保護膜12の充填不良を抑制できる。つまり、充填不良となりやすいCu配線電極の裾部を予め、第1のCu層10の突出部によって充填しているので、表面保護膜12の十分なカバレッジが得られ、第1のCu層10と第2のCu層11からなるCu配線電極の裾部17の充填不良を抑制することができる。
In the present embodiment, the filling defect of the
図8において、第2のCu層11の表面の上面コーナー部を除いた一部を、写真製版によるレジストパターンをマスクとしてエッチングによって開口させる。その後、300〜400℃程度の温度でベークすることにより、有機樹脂膜による表面保護膜12を形成する。
In FIG. 8, a part of the surface of the
図10は、本実施の形態における半導体装置の裏面外部出力電極13形成までの製造方法を示す断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufacturing method up to the formation of the backside
裏面外部出力電極13は裏面バリアメタル層8の裏面に設けられ、TiとCu、TiとCuを含むメタライズの積層膜などで形成される。尚、Tiは積層膜の接着力の改善の為に設けている為、省略は可能である。さらに、裏面外部出力電極13の表面をCMPにより表面平坦化を目的として表面形状の改質を行う。
The back
以上の工程により、本実施の形態における図1に示された半導体装置が得られる。 Through the above steps, the semiconductor device shown in FIG. 1 in the present embodiment is obtained.
図11に、本実施の形態を用いて作製した半導体装置のCu配線電極の裾部17付近の断面のSEM写真像を示す。尚、第1のCu層10は、Alが含有されたCuとした。つまり、第1のCu層10と第2のCu層11とは、エッチング時に選択比を持たせ、エッチング速度が異なるようにした。
FIG. 11 shows an SEM photographic image of a cross section near the
図11から、第1のCu層10と第2のCu層11からなるCu配線電極の裾部17に第1のCu層10の突出部15が設けられていることが分かる。つまり、第2のCu層11の底部の側面18より、第1のCu層10の側面が突出している。
From FIG. 11, it can be seen that the
本実施の形態によれば、第1のCu層10と第2のCu層11からなるCu配線電極の裾部17に突出部15を設けたので、裾部17の有機樹脂膜の充填不良を抑制することができる。Cu配線電極の裾部17に充填不良領域である空孔部ができると、その空孔部に電荷が溜まり、半導体素子の破壊につながるため半導体装置の信頼性が低下する。本実施の形態では、裾部17に空孔部ができて電荷が溜まる現象が生じない、もしくは、生じても電荷量が少ないので、半導体装置の信頼性を向上することができる。
According to the present embodiment, since the projecting
本実施の形態によれば、Cu配線電極の裾部17は第1のCu層10からなるので、P−SiN膜の形成プロセスなどが不要となるため、単純な製造プロセスかつコストを抑制した方法でCu配線電極の裾部17の有機樹脂膜の充填不良を抑制した信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
According to the present embodiment, since the
本実施の形態では、半導体装置の製造方法は、上記方法に限定されない。つまり、本実施の形態は図1に示される構造を作製する方法の一例にすぎず、最終的に、図1で示される構造が得られれば、本実施の形態の説明で述べた以外の方法を用いても良い。 In this embodiment, the method for manufacturing a semiconductor device is not limited to the above method. In other words, this embodiment mode is merely an example of a method for manufacturing the structure shown in FIG. 1, and if the structure shown in FIG. 1 is finally obtained, a method other than that described in the description of this embodiment mode is obtained. May be used.
本実施の形態では、第2のCu層11の上面コーナー部にも丸み16を形成したが、上面コーナー部には丸み16が形成されていなくても良い。つまり、上面コーナー部に充填不良が生じ、上面コーナー部の空孔部に電荷が発生しても、炭化珪素層であるドリフト層2との距離は裾部17に比べて遠いため、電荷の影響による信頼性の低下は小さい。従って、裾部17の充填不良が抑制されれば、本実施の形態により一定の効果は得られる。
In the present embodiment, the
そのため、第2のCu層11はメッキ法でなくても、PVD法、CVD法などで形成されても良い。
Therefore, the
本実施の形態では半導体素子をn型の炭化珪素ショットキーバリアダイオードとしたが、p型であっても良いのは言うまでも無い。 In this embodiment, the semiconductor element is an n-type silicon carbide Schottky barrier diode, but it goes without saying that it may be p-type.
また、本実施の形態では半導体材料に炭化珪素を用いたが、その他の半導体材料を用いても良い。 Further, although silicon carbide is used as a semiconductor material in this embodiment mode, other semiconductor materials may be used.
特に、高温動作が要求されるワイドバンドギャップ半導体では、高温環境下での動作が可能なCu配線電極を採用することが求められるので、本実施の形態を用いることによるCu配線電極の裾部17の充填不良を改善することがさらに求められる。 In particular, wide band gap semiconductors that require high-temperature operation require the use of Cu wiring electrodes that can operate under high-temperature environments. It is further desired to improve the filling failure.
また、炭化珪素は、次世代高耐圧パワーデバイスの材料として注目され、高耐圧下での動作が求められる。Cu配線電極の裾部17の電荷は半導体装置の耐圧を低下、または不安定にさせるが、高耐圧下では、Cu配線電極の裾部17に印加される電界も大きくなり、デバイス破壊や不安定な動作につながりやすくなる。そのため、炭化珪素を用いて安定な高耐圧動作を実現するために、本実施の形態を用いる効果は大きい。
Silicon carbide is attracting attention as a material for next-generation high voltage power devices, and operation under high voltage is required. The electric charge at the
本実施の形態では半導体素子としてショットキーバリアダイオードを用いたが、JBS(Junction Barrier Schottky)やMOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、PNダイオードなど、その他のデバイスであっても良いのは言うまでも無い。配線電極材料としてCuを用い、有機樹脂膜で被覆する構造があれば、あらゆる半導体素子に本実施の形態を用いることができる。 In this embodiment mode, a Schottky barrier diode is used as a semiconductor element. It goes without saying that other devices such as a diode may be used. As long as there is a structure in which Cu is used as a wiring electrode material and is covered with an organic resin film, the present embodiment can be used for any semiconductor element.
1 基板、2 ドリフト層、3 ガードリング領域、4 JTE領域、5 オーミック電極層、6 ショットキー電極、7 表面バリアメタル層、8 裏面バリアメタル層、9 第3の金属層、10 第1のCu層、11 第2のCu層、12 表面保護膜、13 裏面外部出力電極、14 エッチングマスク、15 突出部、16 丸み、17 裾部、18 底部の側面、20 レジストマスク。
1
Claims (11)
前記半導体素子上の一部に設けられたCuを主成分とする第1の金属層と、
前記第1の金属層の上面に設けられたCuを主成分とする第2の金属層と、
前記第1の金属層の側面と前記第2の金属層の側面とを被覆する有機樹脂と、
を備え、
前記第1の金属層の側面が、前記第2の金属層の底部の側面より突出し、
前記第1の金属層の密度が、前記第2の金属層の密度と異なること
を特徴とする半導体装置。 A semiconductor element;
A first metal layer mainly composed of Cu provided on a part of the semiconductor element;
A second metal layer mainly composed of Cu provided on the upper surface of the first metal layer;
An organic resin covering the side surface of the first metal layer and the side surface of the second metal layer;
With
The side surface of the first metal layer protrudes from the side surface of the bottom of the second metal layer ;
The semiconductor device , wherein the density of the first metal layer is different from the density of the second metal layer .
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal layer includes an impurity of 0.1% or more.
を特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the impurity is at least one of Ni, Al, Mn, Zn, Sn, Pb, Fe, and Mg.
を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device, the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a wide band gap semiconductor element.
を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device includes a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a silicon carbide device.
を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device, the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a carbide Schottky barrier diode.
前記半導体素子と前記第1の金属層との上面に、前記第1の金属層上の中央側が開口したレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの開口した領域に、Cuを主成分とする第2の金属層を形成する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記第1の金属層と前記第2の金属層とのそれぞれの露出領域をウェットエッチングする工程と、
前記第1の金属層の側面と、前記第2の金属層の側面とを有機樹脂で被覆する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 Forming a first metal layer mainly composed of Cu on the semiconductor element;
Forming a resist pattern having an open center on the first metal layer on top surfaces of the semiconductor element and the first metal layer;
Forming a second metal layer mainly composed of Cu in the opened region of the resist pattern;
Removing the resist pattern;
Wet etching each exposed region of the first metal layer and the second metal layer;
Coating the side surface of the first metal layer and the side surface of the second metal layer with an organic resin;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
を特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 , wherein the etching rates of the first metal layer and the second metal layer are different.
を特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法。 The wet etching phosphoric acid, sulfuric acid, nitric acid, a method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7 or 8, characterized by using any one or more etchant acetate.
を特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The first metal layer, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 9, characterized in that it is formed by PVD or CVD.
を特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 10, wherein the second metal layer is formed by plating.
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