JP7310590B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。

特許文献１には、トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、層間絶縁膜と、アルミニウム含有金属層と、ニッケル含有金属層を有する半導体装置が開示されている。トレンチは、半導体基板の上面に設けられている。ゲート絶縁膜は、トレンチの内面を覆っている。ゲート電極は、トレンチ内に配置されている。層間絶縁膜は、ゲート電極の上面を覆っており、半導体基板の上面にコンタクトホールを有している。コンタクトホール内にはプラグ電極が設けられている。アルミニウム含有金属層は、層間絶縁膜の上面とプラグ電極の上面に跨る範囲を覆っている。ニッケル含有金属層は、アルミニウム含有金属層の上面を覆っている。

国際公開第２０１８／０５６２３３号

半導体装置が動作して発熱すると、各構成要素が熱膨張する。特許文献１の半導体装置では、半導体基板とニッケル含有金属層の線膨張係数が異なるので、半導体装置の発熱時に、ニッケル含有金属層に高い熱応力が加わる。半導体装置が繰り返し発熱すると、ニッケル含有金属層に繰り返し応力が加わり、ニッケル含有金属層が変形する。その結果、ニッケル含有金属層が伸長して、アルミニウム含有金属層の内部に侵入する場合がある。ニッケル含有金属層がアルミニウム含有金属層を超えて層間絶縁膜まで達すると、層間絶縁膜にクラックが生じ、ゲートリーク電流が流れる等の問題が生じる。本明細書では、層間絶縁膜にクラックが生じることを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、層間絶縁膜と、上部電極とを備える。前記トレンチは、前記半導体基板の上面に設けられている。前記ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内面を覆っている。前記ゲート電極は、前記トレンチ内に配置されている。前記層間絶縁膜は、前記ゲート電極の上面を覆っており、前記半導体基板の前記上面の上部にコンタクトホールを有している。前記上部電極は、前記層間絶縁膜の上面と前記コンタクトホールの内面に跨る範囲を覆っており、前記コンタクトホール内で前記半導体基板の前記上面に接している。前記上部電極が、タングステン含有金属層と、アルミニウム含有金属層と、ニッケル含有金属層を備えている。前記タングステン含有金属層は、前記層間絶縁膜の上部に配置されている。前記アルミニウム含有金属層は、前記タングステン含有金属層の上部から前記コンタクトホールの上部まで伸びており、前記タングステン含有金属層の上面を覆っている。前記ニッケル含有金属層は、前記アルミニウム含有金属層の上面を覆っている。

この半導体装置では、層間絶縁膜の上部にタングステン含有金属層が配置されている。すなわち、タングステン含有金属層が、層間絶縁膜とニッケル含有金属層の間に配置されている。タングステン含有金属層は、ニッケル含有金属層よりも硬い（ビッカース硬さが大きい）。このため、半導体装置の発熱時に、ニッケル含有金属層がアルミニウム含有金属層の内部に侵入した場合であっても、タングステン含有金属層によって、ニッケル含有金属層の進行が防止される。このため、ニッケル含有金属層が層間絶縁膜に達することが防止される。したがって、この半導体装置では、層間絶縁膜にクラックが生じ難く、半導体装置の信頼性が高い。

実施例１に係る半導体装置の断面図。 実施例１に係る半導体装置においてＮｉ層が伸長した状態を示す断面図。 実施例２に係る半導体装置の断面図。 実施例３に係る半導体装置の上面図。 図４のＶ－Ｖ線における断面図。 図４のＶＩ－ＶＩ線における断面図。 変形例に係る半導体装置の断面図。

（実施例１）
図１に示す実施例１の半導体装置１０は、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field effect transistor）である。半導体装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、ＳｉＣ（炭化シリコン）やＳｉ（シリコン）といった半導体材料により構成されている。以下では、半導体基板１２の上面１２ａに平行な一方向をｘ方向といい、上面１２ａに平行でｘ方向に直交する方向をｙ方向といい、半導体基板１２の厚み方向をｚ方向という。図１に示すように、半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ２２が設けられている。各トレンチ２２は、ｙ方向に長く伸びている。各トレンチ２２は、ｘ方向に間隔を空けて互いに平行に伸びている。各トレンチ２２の内面は、ゲート絶縁膜２４によって覆われている。各トレンチ２２内には、ゲート電極２６が配置されている。ゲート電極２６は、ゲート絶縁膜２４によって半導体基板１２から絶縁されている。

ゲート電極２６の上面と半導体基板１２の上面１２ａは、層間絶縁膜２８によって覆われている。層間絶縁膜２８には、複数のコンタクトホール２８ａが形成されている。各コンタクトホール２８ａは、隣接する２つのトレンチ２２の間の範囲にそれぞれ設けられている。すなわち、コンタクトホール２８ａは、ｘ方向においてゲート電極２６が設けられていない範囲に配置されている。各コンタクトホール２８ａは、層間絶縁膜２８の上面から下面まで貫通している。コンタクトホール２８ａの底部には、半導体基板１２の上面１２ａが露出している。

各コンタクトホール２８ａの内部には、Ｗ層４０が設けられている。Ｗ層４０は、タングステンによって構成されている。Ｗ層４０は、各コンタクトホール２８ａの底部で半導体基板１２の上面１２ａに接している。Ｗ層４０は、コンタクトホール２８ａの内部から層間絶縁膜２８の上面に跨る範囲まで伸びている。Ｗ層４０は、その上面が略平坦となるように形成されている。Ｗ層４０は、層間絶縁膜２８によってゲート電極２６から絶縁されている。

Ｗ層４０の上面には、ＡｌＳｉ層４２が設けられている。ＡｌＳｉ層４２は、アルミニウムとシリコンの合金によって構成されている。ＡｌＳｉ層４２は、Ｗ層４０の上面の略全域を覆っている。すなわち、ＡｌＳｉ層４２は、層間絶縁膜２８の上部からコンタクトホール２８ａの上部まで伸びている。

ＡｌＳｉ層４２の上面の一部には、Ｎｉ層４４が設けられている。Ｎｉ層４４は、ニッケルによって構成されている。Ｎｉ層４４は、半導体基板１２の中央側（図１の左側）のＡｌＳｉ層４２の上面を覆っている。半導体基板１２の外周側（図１の右側）のＡｌＳｉ層４２の上面には、ポリイミド膜４６が設けられている。ポリイミド膜４６は、Ｎｉ層４４の外周端面とＡｌＳｉ層４２の上面に接している。

Ｗ層４０、ＡｌＳｉ層４２及びＮｉ層４４によって上部電極５０が構成されている。Ｎｉ層４４の上面には、はんだ層４８が設けられている。はんだ層４８は、ポリイミド膜４６の上面には設けられていない。はんだ層４８によって上部電極５０が外部端子（不図示）にはんだ接合される。Ｎｉ層４４は、上部電極５０を外部端子にはんだ接合するために設けられている。半導体基板１２の下面１２ｂには、下部電極５２が設けられている。下部電極５２は、半導体基板１２の下面１２ｂの略全域に接している。

半導体基板１２の内部には、ソース領域３０、ボディ領域３２、ドリフト領域３４、及びドレイン領域３５が設けられている。

ソース領域３０は、ｎ型であり、半導体基板１２の上面１２ａに露出するとともにゲート絶縁膜２４に接している。ソース領域３０の一部は、Ｗ層４０に接している。ボディ領域３２は、ｐ型であり、ソース領域３０に接している。ボディ領域３２は、２つのソース領域３０に挟まれた範囲から各ソース領域３０の下側まで伸びている。ボディ領域３２は、コンタクト領域３２ａとメインボディ領域３２ｂを有している。コンタクト領域３２ａは、メインボディ領域３２ｂよりも高いｐ型不純物濃度を有している。コンタクト領域３２ａは、２つのソース領域３０に挟まれた範囲に配置されている。コンタクト領域３２ａは、Ｗ層４０に接している。メインボディ領域３２ｂは、ソース領域３０の下側でゲート絶縁膜２４に接している。

ドリフト領域３４は、ｎ型であり、ボディ領域３２の下側に配置されている。ドリフト領域３４は、ボディ領域３２によってソース領域３０から分離されている。ドリフト領域３４は、ボディ領域３２の下側でゲート絶縁膜２４に接している。ドレイン領域３５は、ｎ型であり、ドリフト領域３４よりも高いｎ型不純物濃度を有している。ドレイン領域３５は、ドリフト領域３４の下側に配置されている。ドレイン領域３５は、半導体基板１２の下面１２ｂに露出している。ドレイン領域３５は、下部電極５２に接している。

半導体装置１０の使用時には、半導体装置１０と負荷（例えば、モータ）と電源が直列に接続される。半導体装置１０と負荷の直列回路に対して、電源電圧が印加される。半導体装置１０のドレイン側（下部電極５２）がソース側（上部電極５０）よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極２６にゲートオン電位（ゲート閾値よりも高い電位）を印加すると、ゲート絶縁膜２４に接する範囲のメインボディ領域３２ｂにチャネルが形成され、半導体装置１０がオンする。ゲート電極２６にゲートオフ電位（ゲート閾値以下の電位）を印加すると、チャネルが消失し、半導体装置１０がオフする。

半導体装置１０が動作して発熱すると、各構成要素が熱膨張する。半導体基板１２とＮｉ層４４の線膨張係数が異なるので、半導体装置１０の発熱時に、Ｎｉ層４４に高い熱応力が加わる。半導体装置１０が繰り返し発熱すると、Ｎｉ層４４に繰り返し応力が加わり、Ｎｉ層４４が変形する。その結果、図２に示すように、Ｎｉ層４４が伸長して、ＡｌＳｉ層４２の内部に侵入する場合がある。本実施例では、層間絶縁膜２８がＷ層４０によって覆われている。Ｗ層４０を構成するタングステンのビッカース硬さ（約３４３０ＭＰａ）は、Ｎｉ層４４を構成するニッケルのビッカース硬さ（約６３８ＭＰａ）よりも大きい。すなわち、Ｗ層４０は、Ｎｉ層４４よりも強度が高い。さらに、このＷ層４０は、その上面が略平坦となるように設けられている。このため、半導体装置１０の発熱時に、Ｎｉ層４４がＡｌＳｉ層４２の内部に侵入した場合であっても、Ｗ層４０によって、Ｎｉ層４４の進行が防止される。このため、Ｎｉ層４４が層間絶縁膜２８に達することが防止される。したがって、本実施例の半導体装置１０は、層間絶縁膜２８にクラックが生じ難く、高い信頼性を有する。

（実施例２）
続いて、実施例２の半導体装置１００について説明する。図３に示すように、実施例２の半導体装置１００は、上部電極１５０の構成が実施例１の上部電極５０と異なる。

図３に示すように、実施例２では、Ｗ層４０が、半導体基板１２の上面１２ａの一部と、複数の層間絶縁膜２８の一部を覆っている。具体的には、Ｎｉ層４４とポリイミド膜４６の境界部Ａの下部を含む範囲にＷ層４０が配置されている。境界部Ａの直下に位置する層間絶縁膜２８と、当該層間絶縁膜２８の両側に隣接する２つの層間絶縁膜２８がＷ層４０によって覆われている。Ｗ層４０は、コンタクトホール２８ａ内で半導体基板１２の上面１２ａに接している。Ｗ層４０が設けられていない範囲では、ＡｌＳｉ層４２がコンタクトホール２８ａ内に配置されている。Ｗ層４０が設けられていない範囲では、ＡｌＳｉ層４２がコンタクトホール２８ａ内で半導体基板１２の上面１２ａに接している。

半導体装置１００が繰り返し発熱した場合、ＡｌＳｉ層４２とＮｉ層４４とポリイミド膜４６が互いに接触している三重接触部では、線膨張係数が異なる３種類の層が互いに接触しているので、高い応力が生じる。このため、半導体装置１００が繰り返し発熱すると、Ｎｉ層４４に繰り返し高い応力が加わり、Ｎｉ層４４が伸長し易い。すなわち、Ｎｉ層４４とポリイミド膜４６の境界部Ａの下側に位置するＡｌＳｉ層４２の内部にＮｉ層４４が侵入し易い。本実施例では、境界部Ａの下部に位置する層間絶縁膜２８がＷ層４０により覆われている。このため、層間絶縁膜２８を好適に保護することができる。一方で、本実施例では、境界部Ａから比較的離れた位置においては、Ｗ層４０が設けられていない。すなわち、ＡｌＳｉ層４２が半導体基板１２の上面１２ａに接している。ＡｌＳｉ層４２は、Ｗ層４０よりも電気抵抗が低い。このため、層間絶縁膜２８の保護を特に要する部分以外では、Ｗ層４０を介さずにＡｌＳｉ層４２を半導体基板１２の上面１２ａに接触させることによって、半導体装置１００に大きな電流を流すことができる。このように、本実施例の半導体装置１００では、層間絶縁膜２８の保護と、高い通電性能とを両立することができる。

（実施例３）
続いて、実施例３の半導体装置２００について説明する。実施例３の半導体装置２００は、上部電極２５０（図５及び図６参照）の構成が実施例１の上部電極５０と異なる。

図４は、半導体装置２００の上面図である。半導体装置２００を動作させると、上部電極２５０が形成された領域（すなわち、半導体素子が形成された領域）では、半導体基板１２の中央部２１０が外周部２２０よりも高温となる。すなわち、中央部２１０では、半導体基板１２の温度変化が大きくＮｉ層４４に加わる応力が大きいため、Ｎｉ層４４が伸長し易い。本実施例では、図５及び図６に示すように、中央部２１０では層間絶縁膜２８がＷ層４０によって覆われており、外周部２２０ではＷ層４０が設けられていない。すなわち、外周部２２０では、ＡｌＳｉ層４２が半導体基板１２の上面１２ａからコンタクトホール２８ａの内部に跨る範囲を覆っている。このように、本実施例では、Ｎｉ層４４の伸長が特に顕著な中央部２１０にＷ層４０を配置することで、層間絶縁膜２８を好適に保護することができる。また、Ｎｉ層４４がそれほど伸長しない（すなわち、Ｎｉ層４４がＡｌＳｉ層４２の内部へ侵入し難い）外周部２２０ではＷ層４０を介さずにＡｌＳｉ層４２を半導体基板１２の上面１２ａに接触させることによって、半導体装置１００に大きな電流を流すことができる。このように、本実施例の半導体装置２００においても、層間絶縁膜２８の保護と、高い通電性能とを両立することができる。

なお、本明細書に開示の技術では、図７に示すように、少なくとも層間絶縁膜２８の上部にＷ層４０が設けられていればよく、コンタクトホール２８ａの内部はタングステン以外の材料により構成された金属層６０が配置されてもよい。金属層６０の材料は特に限定されず、例えば、アルミニウムとシリコンの合金であってよい。

また、上述した各実施例において、層間絶縁膜２８の上面からコンタクトホール２８ａの内面に跨る範囲に、Ｔｉ（チタン）やＴｉＮ（窒化チタン）等によって構成されたバリアメタル層を介在させてもよい。

また、上述した各実施例では、半導体装置がＭＯＳＦＥＴである場合を説明した。しかしながら、半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。

（対応関係）
Ｗ層４０が「タングステン含有金属層」の一例であり、ＡｌＳｉ層４２が「アルミニウム含有金属層」の一例であり、Ｎｉ層４４が「ニッケル含有金属層」の一例である。

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。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み合わ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み合わ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するものであり、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。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
２２：トレンチ
２４：ゲート絶縁膜
２６：ゲート電極
２８：層間絶縁膜
２８ａ：コンタクトホール
３０：ソース領域
３２：ボディ領域
３２ａ：コンタクト領域
３２ｂ：メインボディ領域
３４：ドリフト領域
３５：ドレイン領域
４０：Ｗ層
４２：ＡｌＳｉ層
４４：Ｎｉ層
４６：ポリイミド膜
４８：はんだ層
５０：上部電極
５２：下部電極

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、
   前記トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、
   前記トレンチ内に配置されたゲート電極と、
   前記ゲート電極の上面を覆っており、前記半導体基板の前記上面の上部にコンタクトホールを有している層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜の上面と前記コンタクトホールの内面に跨る範囲を覆っており、前記コンタクトホール内で前記半導体基板の前記上面に接している上部電極、
   を備えており、
   前記上部電極が、
   前記層間絶縁膜の上部に配置されたタングステン含有金属層と、
   前記層間絶縁膜の上部から前記コンタクトホールの上部まで伸びており、前記タングステン含有金属層の上面を覆っているアルミニウム含有金属層と、
   前記アルミニウム含有金属層の上面を覆っているニッケル含有金属層、
   を備える、半導体装置。

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