(57)【要約】【課題】良好なはんだ濡れ性を有する電極を提供すること。【解決手段】基板１上に設けられる電極６は、表面層５と、表面層５と基板１の間に設けられている合金層４と、を備えている。表面層５の材料は、金である。合金層４の材料は、シリコンとボロンの少なくともいずれか一方を含有するニッケルである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられる電極であって、
表面層と、
前記表面層と前記基板の間に設けられている合金層と、を備えており、
前記表面層の材料は、金であり、
前記合金層の材料は、シリコンとボロンの少なくともいずれか一方を含有するニッケルである電極。
【請求項２】
前記合金層には、シリコンが含有されており、ボロンが含有されておらず、
シリコンの含有量が、１０〜５０原子％である請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記合金層には、ボロンが含有されており、シリコンが含有されておらず、
ボロンの含有量が、５〜３０原子％である請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記合金層には、シリコンとボロンの双方が含有されている請求項１に記載の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される技術は、基板上に設けられる電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に設けられる電極は、はんだを介して様々な部品と接合される。例えば、基板上の電極は、はんだを介してリードフレーム、ワイヤ等に接合される。このため、基板上に設けられる電極の材料には、はんだに対して良好な接合性及びバリア性を有するニッケル（Ｎｉ）層が用いられることが多い。また、ニッケル層を酸化から防止するために、一般的には、ニッケル層の表面に金（Ａｕ）層が被膜されている。このようなニッケル層と金層が積層した電極の一例が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０７７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような電極を基板上に形成した後、はんだ付けを行う前の段階で、電極材料の安定化のために、高温の熱処理が必要とされる。本発明者らの検討によれば、このような熱処理が行われると、ニッケル層のニッケルが金層を透過して金層の表面に析出することが分かってきた。さらに、金層の表面に析出したニッケルが酸化されることにより、電極のはんだ濡れ性が著しく悪化することが分かってきた。
【０００５】
本明細書で開示される技術は、このような事象を抑制することにより、良好なはんだ濡れ性を有する電極を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示される技術は、基板上に設けられる電極に具現化される。本明細書で開示される電極は、表面層、及び表面層と基板の間に設けられている合金層を備えている。表面層の材料は、金（Ａｕ）である。合金層の材料は、シリコン（Ｓｉ）とボロン（Ｂ）の少なくともいずれか一方を含有するニッケル（Ｎｉ）である。
【０００７】
上記態様の電極では、熱処理が行われても、合金層のシリコン及び／又はボロンが優先的に表面層に拡散することにより、ニッケルが表面層の表面に析出することが抑制される。さらに、表面層の表面に析出したシリコン及び／又はボロンが酸化されたとしても、電極のはんだ濡れ性が著しく悪化しない。このため、上記態様の電極では、熱処理が行われても、良好なはんだ濡れ性が維持される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本明細書で開示される半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図２】はんだ濡れ性試験に用いた試料の断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示されるように、半導体装置１０は、基板１、絶縁膜２、及び電極６を備えている。基板１は、特定機能を発揮する素子が形成されている素子基板である。基板１は、一例では、回路素子が形成されている半導体基板であり、具体的にはシリコン基板である。なお、この例に代えて、基板１には、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板が用いられてもよい。基板１には、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等のパワー半導体素子が形成されている。絶縁膜２は、基板１の表面上の一部を被膜している。一例では、絶縁膜２の材料には酸化シリコンが用いられている。
【００１０】
電極６は、基板１の表面上の一部に設けられており、コンタクト層３、合金層４及び表面層５を備えている。コンタクト層３は、基板１の表面に直接的に接触しており、パワー半導体素子を構成する不純物領域に電気的にオーミック接触している。一例では、コンタクト層３の材料には、窒化チタン（ＴｉＮ）／チタン（Ｔｉ）の積層が用いられる。なお、チタンが基板１の表面に接触する。コンタクト層３は、例えばスパッタリング技術を利用して、基板１の表面に形成される。
【００１１】
合金層４は、コンタクト層３と表面層５の間に設けられており、コンタクト層３及び表面層５に直接的に接触している。合金層４は、表面層５上にリフローされるＳｎ系はんだ（一例では、Ｓｎ−Ｃｕはんだ）と強固に結合するとともに、Ｓｎ系はんだが基板１に拡散するのを防止するために設けられている。合金層４の材料は、シリコン（Ｓｉ）とボロン（Ｂ）の少なくともいずれか一方を含有するニッケル（Ｎｉ）である。例えば、合金層４の材料は、シリコンを含有してボロンを含有しないニッケル合金であってもよく、ボロンを含有してシリコンを含有しないニッケル合金であってもよく、シリコンとボロンの双方を含有するニッケル合金であってもよい。合金層４は、例えばスパッタリング技術を利用して、コンタクト層３の表面に形成される。
【００１２】
表面層５は、電極６の最表面に設けられている。表面層５は、合金層４の表面を被覆し、合金層４が酸化されるのを防止するために設けられている。表面層５の材料は、金（Ａｕ）である。表面層５は、例えばスパッタリング技術を利用して、合金層４の表面に形成される。
【００１３】
上記態様の電極６では、熱処理が行われても、合金層４に含まれるシリコン又はボロンが優先的に表面層５に拡散することにより、ニッケルが表面層５の表面に析出することが抑制される。さらに、表面層５の表面に析出したシリコン又はボロンが酸化されたとしても、電極６のはんだ濡れ性が著しく悪化しない。このため、上記態様の電極６では、熱処理が行われても、良好なはんだ濡れ性が維持される。
【００１４】
合金層４がシリコンを含有してボロンを含有しないニッケル合金の場合、そのシリコンの含有量が、１０〜５０原子％であるのが望ましい。合金層４のシリコンの含有量が１０原子％以上であると、合金層４のニッケルが表面層５の表面に析出するのを抑制することができる。また、合金層４のシリコンの含有量が５０原子％以下であると、合金層４のニッケルとＳｎ系はんだが強固に接合することができる。
【００１５】
合金層４がボロンを含有してシリコンを含有しないニッケル合金の場合、そのボロンの含有量が、５〜３０原子％であるのが望ましい。合金層４のボロンの含有量が５原子％以上であると、合金層４のニッケルが表面層５の表面に析出するのを抑制することができる。また、合金層４のボロンの含有量が３０原子％以下であると、合金層４のニッケルとＳｎ系はんだが強固に接合することができる。
【００１６】
合金層４がシリコンとボロンの双方を含有する場合、合金層４のニッケルが表面層５の表面に析出するのを抑制するように、また合金層４のニッケルとＳｎ系はんだが強固に接合することができるように、シリコンとボロンをそれぞれ適度に含有しているのが望ましい。シリコンの含有量ｘ（原子％）とボロンの含有量ｙ（原子％）の合計ｘ＋ｙが、５≦ｘ＋ｙ≦５０、１０≦ｘ≦５０、５≦ｙ≦３０であるのが望ましい。ｘ＋ｙが５原子％以上であると、合金層４のニッケルが表面層５の表面に析出するのを抑制することができる。また、ｘ＋ｙが５０原子％以下であると、合金層４のニッケルとＳｎ系はんだが強固に接合することができる。
【実施例】
【００１７】
（はんだ濡れ性試験）
図２に示す試料を用意し、はんだ濡れ性試験を行った。基板１１は、ｐ型シリコン（１００）基板（直径１００ｍｍ×厚み０．５ｍｍ、１Ω・ｃｍ）である。電極１６は、合金層１４と表面層１５の二層構造であり、合金層１４の材料はシリコンを３０原子％含むニッケル合金であり、表面層１５の材料は金である。合金層１４は、厚みが約１μｍであり、スパッタリング技術を利用して、基板１１上に形成した。表面層１５は、厚みが約０．１μｍであり、スパッタリング技術を利用して、合金層１４上に形成した。次に、１０ｍｍ角のチップ形状にした後、はんだをリフローした。はんだの材料は、直径が０．７ｍｍのＳｎ−０．７５ｗｔ．％Ｃｕはんだボールである。リフローの条件は、水素を３％含む窒素雰囲気下で２７７℃、１．５分である。
【００１８】
はんだ濡れ性試験の評価は、はんだ濡れ長さを測定することで行った。濡れ長さが５ｍｍ以上のものは実装上において問題のない良好なものであると判断した。さらに、ＡＥＳ法（オージェ電子分光法）を利用して、電極１６の表面における元素分布状態を測定した。なお、はんだ濡れ性試験では、はんだリフローの前処理として、水素を１０％含む窒素雰囲気下で４００℃、３０分の熱処理を行った場合と熱処理を行わなかった場合に分けて検討した。また、比較品として、合金層１４にシリコンが含まれていない例も検討した。表１に、はんだ濡れ性試験の結果を示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１に示されるように、比較品では、熱処理を行った場合と熱処理を行わなかった場合を比較すると、熱処理を行った場合のはんだ濡れ長さが顕著に低下した。電極１６の表面の元素分布状態によれば、熱処理を行ったことによって、ニッケルと酸素が増加していることが分かる。このことから、比較品では、熱処理を行うことによって、合金層１４のニッケルが表面層１５の表面に析出し、そのニッケルが酸化され、はんだ濡れ性が著しく悪化したものと推察される。
【００２１】
一方、実施品では、熱処理を行った場合と熱処理を行わなかった場合を比較しても、はんだ濡れ長さに大きな差がない。電極１６の表面の元素分布状態によれば、熱処理を行ったことによって、シリコンと酸素が増加していることが分かる。なお、熱処理を行った場合でも、電極１６の表面にはニッケルが観測されなかった。このことから、実施品では、熱処理を行うと、合金層１４のシリコンが表面層１５の表面に析出し、そのシリコンが酸化されたものと推察される。これにより、実施品では、合金層１４のニッケルが表面層１５の表面に析出することが抑制されたものと考えられる。
【００２２】
表２に、他の比較品の結果を示す。これらの比較品は、合金層１４にアルミニウム、銅、又は金を含有させた場合の結果である。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
表２に示されるように、合金層１４に含有させる材料がアルミニウム、銅、又は金のいずれの場合も、熱処理を行うことによって、はんだ濡れ長さが小さいものとなっていた。特に、アルミニウムは、シリコンと同様に軽元素であることから、ニッケルよりも表面層１５に優先的に拡散し、ニッケルが表面層１５の表面に析出するのを抑制するものと思われる。しかしながら、アルミニウムは、表面層１５の表面に析出して酸化されると、ニッケルと同様に、はんだ濡れ性を悪化させるものと思われる。このような結果から、合金層１４に含有させる材料は、軽元素であり、酸化されてもはんだ濡れ性を悪化させないという２つの要件を備えることが肝要であり、シリコン又はボロンという特定の材料が望ましいことが分かった。
【００２５】
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。
【符号の説明】
【００２６】
１：基板
２：絶縁膜
３：コンタクト層
４：合金層
５：表面層
６：電極
１０：半導体装置
【図１】
2014067852.tif 000005
【図２】
2014067852.tif 000006