(57)【要約】  本発明は半導体装置に関し、半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極と、前記第１の主電極の端縁部上に配設された保護膜と、前記第１の主電極上の前記保護膜で囲まれた領域に配設された第１の金属膜と、を備え、前記第１の金属膜は、中心部分の膜厚が、前記保護膜に接する部分の膜厚よりも厚く、かつ表面に凹凸を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極と、
前記第１の主電極の端縁部上に配設された保護膜と、
前記第１の主電極上の前記保護膜で囲まれた領域に配設された第１の金属膜と、を備え、
前記第１の金属膜は、
中心部分の膜厚が、前記保護膜に接する部分の膜厚よりも厚く、かつ表面に凹凸を有する、半導体装置。
【請求項２】
前記第１の金属膜の中心部分の膜厚と前記保護膜に接する部分の膜厚との差は、１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹凸は１μｍ以下の凹凸である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の金属膜は、
前記第１の主電極に近いほど粉体粒子間隔が緻密で、前記第１の主電極から離れるにつれて粉体粒子間隔が粗くなり、最表面に近づくにつれて粉体粒子間隔が緻密となる膜構造を有する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の主電極上に配設された第２の金属膜をさらに備え、
前記第２の金属膜は、
前記第１の金属膜と同じ金属材料で、平均膜厚が同じ膜厚を有する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の金属膜の上部に接続される配線を備え、
前記配線は、ワイヤで構成される、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の金属膜の上部に接続される配線を備え、
前記配線は板材で構成される、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極を備える半導体装置の製造方法であって、
（ａ）前記第１の主電極上に選択的に形成された保護膜上を覆うようにマスクを重ねる工程と、
（ｂ）コールドスプレー装置により、前記マスクを介して前記第１の主電極上に粒径分布を有した金属粉体を噴射することで第１のコールドスプレー膜を形成する工程と、を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）は、
前記第２の主電極上に、前記粒径分布を有した金属粉体を噴射することで、前記第１のコールドスプレー膜と同時に第２のコールドスプレー膜を形成する工程を含む、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）は、
前記金属粉体の粒径分布のピークを形成する粒径以下の粒子が先に被接合面に到達し、前記ピークを形成する粒径を超える粒径の粒子が、後から被接合面に到達するように、前記金属粉体の噴射圧力を設定する工程を含む、請求項８または請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記噴射圧力は、０．１〜１０ＭＰａの範囲の圧力に設定される、請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記ピークを形成する粒径は、２０μｍを中心として前後１０％の範囲の粒径を含む、請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｂ）は、
前記コールドスプレー装置から前記金属粉体を吐出するノズルの先端と前記マスクとの距離が、１ｍｍ〜３００ｍｍの範囲となるように前記ノズル位置を設定する工程を含む、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）は、
前記第１のコールドスプレー膜と同じ金属材料で、同じ膜厚となるように前記第２のコールドスプレー膜を形成する工程を含む、請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記金属粉体はＣｕまたはＣｕ合金である、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ、コンバータ等の電力変換器を構成する電力用半導体装置には、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴ等のスイッチングデバイスと、該スイッチングデバイスに逆並列に接続された還流ダイオードを備えた構成を有するものが多く、一般には、ケイ素（Ｓｉ）半導体を材料としたＩＧＢＴをスイッチングデバイスとし、ｐｉｎダイオードを還流ダイオードとして用いている。近年、Ｓｉ半導体よりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた電力用半導体装置が開発されている。ＳｉＣは絶縁破壊強度がＳｉの約１０倍と高く、ドリフト層の厚みをＳｉの約１／１０に低減できるため、低オン電圧を実現でき、また高温でも動作が可能であるため、ＳｉＣを半導体材料とした電力用半導体装置は、従来のＳｉを半導体材料とした電力用半導体装置に比較して小型化および高効率化が可能となる。【０００３】
主電流が、半導体装置の厚み方向に流れる表裏導通型の半導体装置、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴおよびダイオード等の電力変換用の半導体装置をセラミック基板に実装する場合、半導体装置の裏面電極はセラミック基板の金属パターンとはんだ付けし、半導体装置の表面電極は、ワイヤボンディングによる結線および金属端子とのはんだ付けによる結線により通電経路を形成している。しかしながら、半導体装置モジュール（以下、モジュールと呼称）に占める半導体装置が占めるコストは大きく、モジュールの小型化および低コスト化のために、各半導体装置に通電される電流密度および配線に流される電流密度が上昇する傾向にある。電流密度が上昇することで、従来以上に半導体装置動作時に半導体装置から発せられる熱量が増加し、半導体装置温度および配線温度が上昇する。【０００４】
従来のアルミ（Ａｌ）合金の表面電極にＡｌワイヤを接合した配線では、電流密度の上昇および温度上昇により接合部の寿命が低下する可能性がある。そこで、Ａｌワイヤよりも電気伝導性が高い銅（Ｃｕ）ワイヤによる配線を適用したモジュールおよびＣｕの板材を半導体装置の表面電極にはんだ付けしたモジュールが開発されている。【０００５】
これらのモジュールの半導体装置の表面電極には、Ｃｕワイヤとの接合性を高めるためにＣｕ電極を形成したり、はんだの密着性を高めるためにニッケル（Ｎｉ）めっきの上に金（Ａｕ）めっきを施した電極を形成されたりしている。【０００６】
例えば、特許文献１には、半導体装置の表面電極および裏面電極に湿式めっきを用いて金属膜を形成した半導体装置が開示されている。【０００７】
しかしながら、湿式めっきによる成膜は成膜速度が遅く、かつ膜の歩留りが悪いため、時間およびコストが増加していた。そこで、特許文献２に開示されるような、成膜速度が速いコールドスプレー法による成膜方法が着目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１９４１２号公報
【特許文献２】特開２０１２−４９４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に開示の技術では、粒径を制御した粉体によるコールドスプレーを２回実施して成膜しているため、生産性が低く非効率であり、成膜時間および成膜コストを削減できない。また、このような製造方法で製造された半導体装置においては、コールドスプレー法により成膜された膜の緻密度が低く、膜内に多数の欠陥が発生しており、この膜の上にＣｕワイヤをボンディングにより接合しようとすると、ボンディング時に荷重をかけた際に、膜が変形してしまい、十分な接合性が得られないと言う課題があった。【００１０】
本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、半導体装置の主電極におけるワイヤ接合部の接合の信頼性を向上した半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極と、前記第１の主電極の端縁部上に配設された保護膜と、前記第１の主電極上の前記保護膜で囲まれた領域に配設された第１の金属膜と、を備え、前記第１の金属膜は、中心部分の膜厚が、前記保護膜に接する部分の膜厚よりも厚く、かつ表面に凹凸を有している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る半導体装置によれば、第１の金属膜が、第１の金属膜の中心部分の膜厚と保護膜に接する部分の膜厚とで差を有し、かつ第１の金属膜の表面に凹凸が存在する。このため、第１の主電極に例えばＣｕワイヤをボンディングする際の荷重により、凸部が先に変形して、ボンディング荷重による半導体装置へのダメージが吸収され、また、凹部にはＣｕワイヤが食い込むことで接合の被表面積が増加して、Ｃｕワイヤのボンディングの接合品質が向上し、ワイヤ接合部の接合の信頼性が向上する。また、第１の金属膜の膜厚が厚さ分布を有し、かつ、その表面に凹凸を有するので、第１の金属膜の表面積が広く、本発明に係る半導体装置をモジュールに組み込んだ場合には、封止樹脂が剥離しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体装置が実装された半導体装置モジュールの断面図である。
【図２】本発明に係る実施の形態１の半導体装置が実装された半導体装置モジュールの平面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態１の半導体装置の平面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態１の半導体装置の断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。
【図６】保護膜を形成した段階の半導体ウェハの平面図である。
【図７】保護膜上にマスクを重ね合わせた状態を示す平面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。
【図９】本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態２の半導体装置の断面図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態２の変形例の半導体装置の断面図である。
【図１４】コールドスプレー膜の表面状態を模式的に示す図である。
【図１５】本発明に係る実施の形態３の半導体装置が実装された半導体装置モジュールの断面図である。
【図１６】本発明に係る実施の形態３の半導体装置が実装された半導体装置モジュールの平面図である。
【図１７】本発明に係る実施の形態３の半導体装置が実装された半導体装置モジュールの部分断面図である。
【図１８】コールドスプレー膜の表面状態を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施の形態１＞
＜装置構成＞
図１は、本発明に係る実施の形態１の半導体装置が実装された半導体装置モジュール（以下、モジュールと呼称）１００断面図である。また、図２はモジュール１００を上方から見た部分平面図であり、開口部を閉じるカバーおよび封止樹脂などは省略している。なお、図２におけるＡ−Ｂ−Ａ線における矢示方向の断面が図１の断面である。
【００１５】
図１に示されるように、モジュール１００は、ベース板１０１の上面に絶縁基板１０３がはんだ（基板下はんだ）１０７ｂにより接合され、絶縁基板１０３の上面にスイッチングデバイス１０４ａおよび還流ダイオード１０４ｂを含む半導体装置１０４がはんだ（チップ下はんだ）１０７ａにより接合されている。ベース板１０１は、上面側および底面側が開口部となったケース１０２の底面側の開口部に収納され、底面側の開口部と同じ形状および同じ面積のベース板１０１はケース１０２の底面を構成する。
【００１６】
ケース１０２内に収納されたベース板１０１においては、半導体装置１０４とケース１０２内に設置された複数の端子１０８とが、配線１０６により結線される。配線１０６は主配線１０６ａおよびゲート配線１０６ｂを含んでいる。
【００１７】
ケース１０２内にベース板１０１が収納され、ケース１０２とベース板１０１とが樹脂材等で接合されることで有底無蓋のケース１０２となり、ケース１０２の上面側の開口部から樹脂等の封止材１０５を導入することで、ベース板１０１、絶縁基板１０３、半導体装置１０４、配線１０６および端子１０８が封止材１０５で覆われることになる。
【００１８】
ここで、ベース板１０１には、複合材であるＡｌＳｉＣ板およびＣｕ板を用いることができるが、半導体装置１０４を使用するに際して、十分な絶縁性能と強度を有するのであれば、ベース板１０１を設けず、絶縁基板１０３でケース１０２の底面を構成しても良い。すなわち、絶縁基板１０３の下面には、下側導体パターン１０３ｅが設けられており、下側導体パターン１０３ｅがケース１０２の底面として露出した構成としても良い。
【００１９】
ケース１０２は、ポリフェニルサルファイド樹脂（ＰＰＳ）またはポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）またはポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）で構成される。
【００２０】
絶縁基板１０３は、絶縁材１０３ｄの上面に上側導体パターン１０３ａ、１０３ｂおよび１０３ｃが設けられ、下面に下側導体パターン１０３ｅが設けられており、絶縁材１０３ｄは、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮおよびＳｉ３Ｎ４などのセラミックス材、あるいは、エポキシ材または液晶ポリマーなどのバインダー材にシリカ、アルミナおよびＢＮ（窒化ホウ素）などのフィラーが混入された有機絶縁材で構成しても良い。
【００２１】
また、上側導体パターン１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃおよび下側導体パターン１０３ｅは、Ｃｕ材で構成しても良いが、Ｃｕ材にＮｉめっきまたは銀（Ａｇ）めっきが施されていても良く、その他にＡｌ材にＮｉめっきまたはＡｇめっきが施されていても良い。
【００２２】
半導体装置１０４はスイッチングデバイス１０４ａとしてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用し、還流ダイオード１０４ｂとしてＳｉＣ−ＳＢＤ（Shottky Barrier Diode）を使用する、Ｓｉ半導体で構成されるＳｉ−ＩＧＢＴをスイッチングデバイス１０４ａとし、Ｓｉ−ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）を還流ダイオード１０４ｂとしても良い。
【００２３】
スイッチングデバイス１０４ａおよび還流ダイオード１０４ｂは、すず（Ｓｎ）を基材としたはんだ材であるチップ下はんだ１０７ａにより絶縁基板１０３の上側導体パターン１０３ａ（ドレイン電極に電気的に接続される）と接合されているが、Ａｇ焼結材により上側導体パターン１０３ａと接合しても良い。
【００２４】
封止材１０５は、フィラーが混入されたエポキシ材を用いるが、モジュール１００の使用に際して十分な絶縁性を有していれば良く、シリコンゲルを用いても良い。
【００２５】
半導体装置１０４（スイッチングデバイス１０４ａおよび還流ダイオード１０４ｂ）の上面電極１０９の最表面にはコールドスプレー法により形成されたコールドスプレー膜（図示せず）が成膜されており、本実施の形態１においては、Ｃｕ粉体のコールドスプレー膜が成膜されている。
【００２６】
また、半導体装置１０４上部の主配線１０６ａはＣｕワイヤであり、スイッチングデバイス１０４ａの上面電極１０９と還流ダイオード１０４ｂの上面電極１０９とソース電極に電気的に接続される上側導体パターン１０３ｂとをボンディングワイヤを用いてウェッジボンディングにより結線している。ボンディングワイヤを用いることで、結線の自由度が高くなる。なお、配線材には導電性があれば良く、例えばＡｌワイヤでも良い。また、ワイヤ形状ではなく板材（図示せず）であっても良く、その接合はウェッジボンディングではなく半導体装置１０４の上面電極１０９と板材とが、はんだ、または、Ａｇを含有した接着剤またはＡｇ焼結材により接合しても良い。
【００２７】
Ｃｕのコールドスプレー膜上にＣｕワイヤをウェッジボンディングにより接合することにより、従来のＡｌ合金電極とＡｌワイヤによるウェッジボンディングによる接合に比較して、接合部の接合信頼性が大幅に向上するだけでなく、Ａｌの電気抵抗率２．８２×１０−８Ωｍに対して、Ｃｕの電気抵抗率は１．６８×１０−８Ωｍであり、同一線径において電流を流す場合、Ａｌ配線に比較して発熱を低く押さえることが可能となる。なお、Ｃｕワイヤの線径は、例えば、１５０μｍ〜６００μｍ程度とする。
【００２８】
スイッチングデバイス１０４ａの上面には図示されないゲートパッドが設けられており、ゲートパッドと上側導体パターン１０３ｃ（ゲート電極に電気的に接続される）とはゲート配線１０６ｂにより結線され、上側導体パターン１０３ｃは、端子１０８とゲート配線１０６ｂにより結線さされる。ゲート配線１０６ｂもＣｕワイヤであるが、従来のＡｌワイヤに比較して、接合部の大幅な接合信頼性が得られる。ＣｕはＡｌよりも強度が勝るため、アセンブリ時のワイヤの変形も発生しにくく、流れる電流も主配線１０６ａより少ないため、主配線１０６ａの線型よりも細くても良い。この場合、線径は例えば、５０μｍ〜２００μｍ程度とする。
【００２９】
同様の理由から、モジュール１００内に設けられた温度検知用のダイオード（図示せず）のカソード電極およびアノード電極に接続される配線も、ゲート配線１０６ｂと同様に主配線１０６ａよりも線型が細くても良い。
【００３０】
図３は、スイッチングデバイス１０４ａを上面側から見た平面図であり、図４は、図３におけるＣ−Ｃ線における矢示方向の断面図である。
【００３１】
図４に示すように、スイッチングデバイス１０４ａは、半導体基板２０１と、半導体基板２０１の第１の主面２０１ａ上に設けられたＡｌ合金電極２０２と、Ａｌ合金電極２０２上に設けられたコールドスプレー膜２０８（第１のコールドスプレー膜）と、半導体基板２０１の第２の主面２０１ｂ上に設けられたバリアメタル２０４と、バリアメタル２０４上に設けられたＮｉ電極２０５と、Ｎｉ電極２０５上に設けられたＡｕ電極２０６と、を備えている。なお、コールドスプレー膜２０８は、第１の金属膜と呼称する場合もある。
【００３２】
半導体基板２０１は、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板であり、その表面内には図示を省略した拡散層が設けられ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴの動作を司る活性層として機能する。
【００３３】
Ａｌ合金電極２０２上にはコールドスプレー膜２０８を囲むように保護膜２０３が設けられている。なお、図３に示されるように、保護膜２０３は、ゲートパッドＧＰに設けられたコールドスプレー膜２０８を囲むようにも設けられている。
【００３４】
また、Ａｌ合金電極２０２は、図示を省略した半導体基板２０１の表面内の拡散層と共に第１の主電極２１０を構成し、バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６は、図示を省略した半導体基板２０１の表面内の拡散層と共に第２の主電極２２０を構成する。
【００３５】
Ａｌ合金電極２０２は、半導体基板２０１の表面内の拡散層との電気的導通を行う電極であり、一般に純Ａｌ、ＡｌＳｉ合金、ＡｌＣｕ合金およびＡｌＳｉＣｕ合金が利用されており、合金中のＳｉ、Ｃｕの混合比率は、合金中での重量比で５ｗｔ％以下である。
【００３６】
バリアメタル２０４は、外部からのデバイス動作を阻害する元素の侵入を防止する膜であり、一般にチタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）およびＡｌ等の金属膜、または、これらの酸化物および窒化物が利用されている。
【００３７】
Ｎｉ電極２０５はバリアメタル２０４と直接接合され、はんだ付け時にはんだと反応して合金層および金属間化合物を形成する。Ａｕ電極２０６は半導体装置の特性を測定する際に接触抵抗の影響を除き、さらに、Ｎｉの酸化を防いで、はんだの密着性を向上させるために設けられている。
【００３８】
保護膜２０３は半導体装置表面の物理的な保護と絶縁距離を増加させるために設けられ、有機物であるポリイミドが用いられているが、無機物であるＳｉＯ２またはＳｉＮを用いても良い。
【００３９】
コールドスプレー膜２０８は、Ａｌ合金電極２０２上に成膜され、コールドスプレー装置から吐出された金属粉体が持つ熱エネルギーと運動エネルギーが被接合面であるＡｌ合金電極２０２に衝突することで生じる摩擦熱（エネルギー）により、金属粉体およびＡｌ合金電極２０２のそれぞれの最表面で変形が生じて相互に絡み合う。また、それぞれの最表面の金属酸化膜が除去されて、金属粉体とＡｌ合金電極２０２の界面で生じる反応により形成された膜の上に連続的にコールドスプレー装置から金属粉体が吐出され、先に形成されたコールドスプレー膜の上に連続的に衝突することで膜厚が増加し、最終的にコールドスプレー膜２０８となる。
【００４０】
なお、コールドスプレー装置に供給する金属粉体の粒径は以下のように制御される。すなわち、ＪＩＳ（日本工業規格）の試験用フルイの目開きが１００μｍ（１４９メッシュ）のフルイを通過した粒子であり、その製法は電解法により生成されたＣｕ粉体であり、その形状は樹枝（デンドライト）形状に近いものである。なお、粒子の製法は、高圧旋回水アトマイズ法を用いても良く、その場合は、形状は球形状に近い形状となる。また、粒子の製法には、水アトマイズ法を用いても良い。Ｃｕ粉体は、デンドライト形状に近い形状であっても球形状に近い形状であっても、被接合面に衝突することで原型を止めない薄い扁平状となる。
【００４１】
目開きが１００μｍのフルイを通過した粒子は、粒径が１００μｍ以下の粒径分布を有するが、レーザー回折法により回折散乱パターンを解析することによる測定を行い、横軸を粒径、縦軸を頻度（個数）とした場合の粒径分布測定結果において、頻度（個数）が最大となる粒径が２０μｍ程度であることが望ましい。すなわち、粒径が２０μｍ程度の粒子が分布のピークを形成し、当該ピークを形成する粒子を中心に、それよりも粒径が小さな粒子および大きな粒子が存在するような分布を有することが望ましい。どちらかと言えば粒径が２０μｍ以下の粒子ができるだけ多い方が、後に説明するように、粒子間隔が緻密なコールドスプレー膜を得ると言う観点から望ましく、このような分布の金属粉体を得られるように、粒子の製造条件を制御することが望ましい。なお、ピークを形成する粒子とは２０μｍの粒径に限定されるものではなく、粒径２０μｍに対してプラスマイナス１０％程度の範囲の粒径を含むものとする。
【００４２】
このような粒径分布とすることで、コールドスプレー膜２０８を、Ａｌ合金電極２０２側ほど粉体粒子間隔が緻密で、Ａｌ合金電極２０２から離れるにつれて粉体粒子間隔が粗くなり、最表面に近づくにつれて粉体粒子間隔が再び緻密となる膜構造とすることができる。これについては後にさらに説明する。
【００４３】
なお、フルイの目開きが１００μｍ未満であっても良く、例えば、目開きが５３μｍ（２７０メッシュ）のフルイを用いた場合は、粒径が５３μｍ以下の粒子が得られるが、その収率は低く、より安価にコールドスプレー膜を形成するには、フルイの目開きが１００μｍ程度が望ましい。
【００４４】
よって、コールドスプレー膜を成膜する場合、例えば、粒径１００μｍ以下の金属粉体を用いると良く、より好ましくは、粒径６０μｍ以下の金属粉体を用いると良い。なぜなら、粒径が大きな粒子、例えば６０μｍよりも大きい粒子は、後述するコールドスプレー装置のノズルから吐出される際にコールドスプレー膜を形成するのに十分な運動エネルギーが得られず、先に形成されたコールドスプレー膜に衝突しても粒子どうしの接合が生じず、吐出ガスの流れによって膜外にはじかれ、成膜に寄与しない。このため、均一な膜を形成するには、粒径６０μｍ以下が好ましい。なお、下限の粒径は、例えば１．０μｍより大きくすることが望ましいが、下限の粒径を制御するためにフルイによる選別を行う必要はない。また、以下に説明する理由から、金属粉体の粒径を均一にする必要はなく、均一にするためにフルイによる選別を行う必要はない。
【００４５】
すなわち、所定の目開きを有するフルイにかけられた金属粉体は、当該目開き以下の粒径分布を有する。このような金属粉体を用いてコールドスプレーによる成膜を行うと、重量の軽いより微細な粒子からＡｌ合金電極２０２に優先的に衝突を開始してコールドスプレー膜を形成し、その後、より重量が重く、より粒径の大きな粒子が、先に形成されたコールドスプレー膜に衝突するので、Ａｌ合金電極２０２で保護されている半導体装置が破壊されることがない。さらに、より微細な粒子からＡｌ合金電極２０２に衝突してコールドスプレー膜を形成するので、被接合面、すなわちＡｌ合金電極２０２の表面側ほど、粒径の小さな粒子により構成された緻密なコールドスプレー膜となる。この緻密なコールドスプレー膜の上に、上述した目開き以下の粒径分布で金属粉体が順次に衝突するので、粉体粒子間隔が最も緻密な膜から、より粗い膜へと膜質の異なるコールドスプレー膜が成膜される。なお、粒径の大きな粒子間には、より粒径の小さな粒子が衝突することで、粉体粒子間隔が比較的緻密な膜が成膜されるので、コールドスプレー膜の上層も比較的緻密な膜となる。この結果、コールドスプレー膜２０８は、Ａｌ合金電極２０２側ほど粉体粒子間隔が緻密で、Ａｌ合金電極２０２から離れるにつれて粉体粒子間隔が粗くなり、最表面に近づくにつれて粉体粒子間隔が再び緻密となる膜構造を有することとなる。
【００４６】
ここで、図１８に、コールドスプレー膜２０８の膜構造を模式的に示す。図１８に示すようにコールドスプレー膜２０８は、Ａｌ合金電極２０２表面側近傍の微細な粒子により形成されたコールドスプレー膜２４１、コールドスプレー膜２４１の上部に粒径の大きな粒子により形成されたコールドスプレー膜２４２およびコールドスプレー膜２４２の上部に粒径の大きな粒子と微細な粒子により形成されたコールドスプレー膜２４３の多層構造となっている。
【００４７】
図１８より、コールドスプレー膜２０８の膜厚方向における中央部の空孔（粒子間の隙間）の数（密度）が、Ａｌ合金電極２０２に近い領域での空孔の数（密度）よりも多く、また、最表面付近の空孔の数（密度）よりも多いことが判る。ここで、コールドスプレー膜２０８の膜厚が例えば６０μｍである場合、コールドスプレー膜２０８の膜厚方向における最表面付近とは、最表面から１５〜２０μｍの領域、Ａｌ合金電極２０２に近い領域とはＡｌ合金電極２０２から６〜１３μｍの領域であり、中央部とは上記２つの領域の間であり、厚さ２７〜３９μｍの領域である。
【００４８】
なお、図１８は便宜的に、粒子を球形が扁平状態となった形状で表し、また、粒径を大きく表しており、保護膜２０３との比率などは正確ではない。実際のコールドスプレー膜２０８の最表面は、扁平な粒子で凸凹しているわけではなく、微小な凹凸が連続した状態となっている。
【００４９】
このような膜構造を採ることで、Ａｌ合金電極２０２とコールドスプレー膜２０８との接合性が向上し、また、コールドスプレー膜２０８とＣｕワイヤとの接合性も向上する。
【００５０】
また、粒径が大きな粒子は後述するコールドスプレー装置のノズルから吐出される際に、コールドスプレー膜を形成するのに十分な運動エネルギーが得られず、先に形成されたコールドスプレー膜に衝突しても粒子どうしが接合せず、吐出ガスの流れによって膜外にはじかれる。
【００５１】
ここで、Ａｌ合金電極２０２の厚さは５μｍであるが、コールドスプレー膜の成膜に対して半導体装置へのダメージを防ぐことができれば良いので、５μｍより薄くても構わず、逆に５μｍより厚くても良い。また、Ａｌ合金電極２０２の上に、湿式のめっき法によってＮｉめっき膜を形成しても良いし、真空蒸着によりＮｉスパッタ膜を形成しても良い。
【００５２】
本実施の形態においてコールドスプレー装置に供給する金属粉体としてはＣｕ粉体を使用しているが、被接合面と金属接合を形成できる金属であれば良く、Ｃｕ合金粉体、Ａｌ粉体、Ｎｉ粉体、Ｓｎ粉体であっても良く、これらが混合された粉体であっても良い。なお、コールドスプレー膜２０８の厚みはスプレーの照射時間、照射速度（ガス圧）および照射温度により制御可能であり、本実施の形態１においてはＣｕワイヤをボンディングするに際して、コールドスプレー膜２０８下の装置構造を保護できる十分な厚みを有していれば良く、３０μｍを一例とするが、Ｃｕワイヤによるボンディングで半導体装置のダメージが保護できるのであれば、１０μｍ程度の厚みを有していれば十分である。
【００５３】
また、コールドスプレー膜２０８が厚くなり過ぎると、半導体装置を形成した半導体ウェハが反り返り、割れてしまうため、１００μｍ以下であることが望ましい。また、成膜されたコールドスプレー膜２０８の最表面は平滑ではなく、不均一であって凹凸が生じている。例えば、湿式のめっきにより形成されたＣｕ膜では膜中の結晶サイズが５μｍ程度であるが、コールドスプレー膜は主として２０μｍ程度の粒子により膜が形成されるので、コールドスプレー膜２０８の最表面は、湿式めっきにより形成されたＣｕ膜よりも平滑ではなく、不均一であって凹凸が生じている。凹凸は、例えば、レーザー顕微鏡により１００μｍ×１００μｍの範囲で測定した線粗さから導出した算術平均Ｒａが１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。ここでの凹凸の大きさは、非接触式の白色干渉計により測定される。
【００５４】
このように、コールドスプレー膜２０８の最表面に不均一な凹凸が存在することで、Ｃｕワイヤをボンディングする際の荷重により、凸部が先に変形して、ボンディング荷重による半導体装置へのダメージが吸収され、また、凹部にはＣｕワイヤが食い込むことで接合の被表面積が増加して、Ｃｕワイヤのボンディングの接合品質が向上する。
【００５５】
なお、コールドスプレー膜中の粒子サイズは、例えば、コールドスプレー膜を断面観察して電子線後方散乱回折法（Electron Back Scatter Diffraction Patterns：ＥＢＳＤ）により測定された値である。
【００５６】
また、コールドスプレー装置のノズルから吐出される粉体中に粒径が３０μｍ以上の粒子があっても、半導体装置への衝突時に変形するため、３０μｍの膜厚のコールドスプレー膜２０８を形成する場合でも、必ずしも粉体の粒径を３０μｍ以下としなくても良い。
【００５７】
また、本実施の形態においては、絶縁基板１０３にＳｉＣの半導体装置を搭載しており、封止材１０５はエポキシ材としたが、ＳｉＣと封止樹脂との線膨張係数、弾性率の違いから、半導体装置の動作中の発熱による熱応力によって半導体装置と封止材１０５との界面で半導体装置の端部から剥離が生じる可能性もある。しかし、コールドスプレー膜２０８の最表面に凹凸があるため、封止材１０５をケース１０２に導入する際に、コールドスプレー膜２０８の凹凸に封止樹脂が係合し、アンカー効果により剥離しにくくなると言う効果もある。
【００５８】
通常、Ｃｕなどの金属膜を成膜する場合、スパッタ蒸着法を用いた場合は、膜厚が２〜３μｍであり、膜厚分布はナノメートルオーダであり、平坦である。また、めっき法により金属膜を形成する場合は、金属膜の膜厚は数μｍ〜３０μｍであり、膜厚分布はサブミクロンオーダであり、平坦である。
【００５９】
一方、後述するように、本実施の形態においては、金属膜をコールドスプレー法によりマスクを用いて成膜するため、保護膜２０３の近傍の膜厚がコールドスプレー膜２０８の中心部分の厚さよりも薄くなる。この厚さの差を１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、Ｃｕワイヤをボンディングする中心部分の厚さを確保しつつ、この中心部分からの厚さ分布により、コールドスプレー膜２０８の表面積、すなわち凹凸の面積が大きくなり、封止樹脂がより剥離しにくくなる。このように、コールドスプレー膜２０８は、その中心部分から端縁部分にかけて厚さが薄くなる膜厚分布を有し、かつ、コールドスプレー膜２０８の表面は１μｍ以上１０μｍ以下の凹凸を有した膜形状となっている。ここで、コールドスプレー膜２０８の中心部分の膜厚とは、中心部分の１ｍｍ×１ｍｍの範囲での測定値の平均値であり、保護膜２０３の近傍の膜厚とは、保護膜２０３から５０μｍの範囲での測定値の平均値である。ここで、図１４に、測定したコールドスプレー膜２０８の平均値を実線２３１で示し、また、中心部分の膜厚と保護膜２０３の近傍の膜厚との差を膜厚差２３２として示している。
【００６０】
なお、コールドスプレー膜２０８の厚さの差２３２が１０μｍ以上となると、中心部の膜厚が厚過ぎて、中心部の膜内の内部応力が大きくなり、コールドスプレー膜２０８内部で不具合が生じる可能性があり、１μｍ未満では、平坦に近くなるので、封止樹脂の剥離の抑制効果が低減する。従って、コールドスプレー膜２０８の表面の凹凸は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。図１４には、コールドスプレー膜２０８の表面の凹凸を模式的に示しており、突部の高さ２３３を一例として示している。コールドスプレー膜２０８の厚さの差２３２が１０μｍ程度である場合、コールドスプレー膜２０８の表面の凹凸突部の高さ２３３は１μｍ以下程度となる。
【００６１】
ここで、コールドスプレー膜２０８の厚さは超音波探傷法により測定することができる。すなわち、成膜後の半導体装置に対して超音波プローブから発せられる超音波がＣｕ膜を通過するのに要する時間と、Ａｌ合金電極２０２との界面で超音波が反射されて返ってくるまでの時間との差により測定される。
【００６２】
Ｃｕワイヤのボンディングにおいては、接合部が潰れて元の線径より拡がり、拡がった部分が保護膜２０３と接触することで、保護膜２０３が損傷する可能性があるので、ボンディング中心は保護膜２０３から１００μｍ以上離れた位置にボンディングすることが望ましく、結果的に、コールドスプレー膜２０８が厚い箇所にボンディングすることとなり、ボンディング時の荷重および超音波振動で半導体装置に不具合が発生することを抑制する効果が高まる。
【００６３】
＜製造方法＞
次に、図５〜図９を用いて、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下の説明では簡略化のため還流ダイオード１０４ｂの製造方法について説明する。
【００６４】
図５に示すように、図示を省略した拡散層が設けられた半導体基板２０１の第１の主面２０１ａ上に、第１の主電極２１０であるＡｌ合金電極２０２を、例えば、物理的気相成長法（ＰＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）などの真空成膜法で形成する。その後、半導体基板２０１を第２の主面２０１ｂ側から研削し、所定の厚さとする。
【００６５】
次に、研削後の第２の主面２０１ｂ上に、バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６の順に、例えば真空成膜法で形成し、第２の主電極２２０とする。
【００６６】
次に、Ａｌ合金電極２０２上に厚さ２〜１０μｍの保護膜２０３を感光性ポリイミド（ＰＩ）を塗布して選択的に露光することで成膜するが、保護膜２０３が有機物で構成される場合は、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６の形成後に成膜する。その後、保護膜２０３上にコールドスプレー用のマスク４０４を重ね合わせる。
【００６７】
図６は、保護膜２０３を形成した段階の半導体ウェハ３０１を上面側から見た場合の平面図を示す。図６に示されるように、保護膜２０３はダイシングライン３０４で囲まれた四角形の半導体装置形成領域３０２内に、ダイシングライン３０４に沿って設けられ、ダイシングライン３０４上には保護膜２０３は形成されない。
【００６８】
また、図７は、保護膜２０３上にマスク４０４を重ね合わせた状態を示す平面図である。マスク４０４は、保護膜２０３およびダイシングライン３０４を覆い、半導体装置形成領域３０２のコールドスプレー膜を成膜する部分が開口部ＯＰとなっており、材質は、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）板を使用し、コールドスプレー装置により吐出される粉体がマスクを貫通しない厚さ、例えば０．５〜５ｍｍ、望ましくは１ｍｍ程度とする。なお、ＳＵＳ板に保護膜２０３と対面する部分に、保護膜２０３と同種の有機物がコーティングされた構成としても良い。これにより、保護膜２０３とＳＵＳ板とが直接接することにより、保護膜２０３が傷つく可能性を低減できる。
【００６９】
図８は、マスク４０４を重ねた半導体ウェハ３０１の上部にコールドスプレー装置４２０を配置し、コールドスプレー装置４２０のノズル４２２の先端から粉体４２３を被接合面となるＡｌ合金電極２０２に向けて吐出している状態を示している。粉体４２３を吐出することで、Ａｌ合金電極２０２上にコールドスプレー膜２０８が成膜される。なお、粉体４２３は、粒径１００μｍ以下の金属粉体であり、本実施の形態においては、配線材であるＣｕワイヤとウェッジボンドできる材料としてＣｕ粉体を用いる。なお、粉体４２３は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕなどの金属粉体でも良い。また、Ｃｕワイヤとウェッジボンドするのではなく、Ｓｎを基材としたはんだ材により配線材をはんだで接合する場合には、はんだ接合が可能な材料であれば良く、Ｓｎを基材とした、はんだの粉体であっても良い。
【００７０】
ここで、コールドスプレー装置４２０の概要を説明する。図８に示すように、コールドスプレー装置４２０は、粉体４２３を吐出するノズル４２２を有するスプレーガン４２１の、ノズル４２２とは反対側に設けられた配管４２４を介して、粉体供給装置（図示せず）および高圧ガス発生装置（図示せず）に接続されている。粉体供給装置から配管４２４に供給された粉体４２３は、ヒータ（図示せず）が取り付けられたスプレーガン４２１を通過する際に高温に加熱される。高圧ガス発生装置からは配管４２４に高圧ガスが供給され、高温に加熱された粉体４２３を付勢して、スプレーガン４２１の先端のノズル４２２から被接合面であるＡｌ合金電極４０２上に吐出する。
【００７１】
高圧ガスは不活性ガスであれば良く、例えば窒素ガスであるが、アルゴンまたはヘリウムガスを用いても良い。また、高圧ガスの圧力はノズル４２２の先端から吐出される際に、例えば、噴射圧力０．１〜１０ＭＰａとなり、１〜１０００ｍｌ／ｍｉｎの流速で、粉体供給量１〜１００ｇ／ｍｉｎとなるような圧力とする。このような条件で粉体４２３を吹き付けることで、任意の吐出時間に対して、任意の膜厚のコールドスプレー膜２０８を形成することが可能となる。
【００７２】
また、上記のような圧力設定にすることで、先に説明したように、より微細な粒子からＡｌ合金電極２０２に優先的に衝突を開始してコールドスプレー膜を形成し、その後、より重量が重く、より粒径の大きな粒子が、先に形成されたコールドスプレー膜に衝突させることができる。
【００７３】
なお、ヒータ温度は１５０〜７００℃の範囲で調整可能であり、吐出する材料によって任意に選択される。
【００７４】
また、ノズル４２２の先端とマスク４０４との距離は、５ｍｍ程度に設定するが、１ｍｍ〜３００ｍｍの間であればコールドスプレー膜２０８を成膜可能である。この距離は、先に説明したように、粒径が大きな粒子を排除するための距離であり、コールドスプレー装置のノズルから吐出される際に、コールドスプレー膜を形成するのに十分な運動エネルギーが得られないほど粒径が大きな粒子は、ノズル４２２の先端とマスク４０４との間から吐出ガスの流れによって膜外にはじかれることとなる。
【００７５】
コールドスプレー膜２０８を成膜後、マスク４０４を取り除き、半導体ウェハ３０１上から成膜に寄与しなかった粉体をブロアーで除去する。この後、成膜されたコールドスプレー膜２０８が酸化しないように還元性を有する液体中、またはＣｕを僅かに溶解する酸性の液体中で超音波洗浄により成膜に寄与しなかった粉体を取り除く。また、コールドスプレー膜２０８の最表面に形成された酸化膜を除去し、その後、ベンゾトリアゾールのような防錆皮膜を形成して、酸化防止をしても良い。
【００７６】
さらに、窒素ガスのような不活性ガス雰囲気下で半導体ウェハ３０１を乾燥させて、コールドスプレー膜２０８内に、粉体４２３の衝突時時に発生した残留応力を緩和すると共に、粒子どうしの接合界面を再結晶化して、より緻密な金属膜を形成する。
【００７７】
コールドスプレー膜２０８が成膜された半導体ウェハ３０１は、ダイシングラインに沿って、ダイシング装置でダイシングされ、図９に示されるように、還流ダイオード１０４ｂに個片化される。
【００７８】
なお、窒素ガスによる乾燥および再結晶化は、ダイシング工程前ではなくダイシング後の工程で実施されても良く、例えば、モジュール１００の組み立て工程中に実施することが効率的であり、チップダイボンディング時にリフロー熱を利用して乾燥させると効率的である。
【００７９】
＜実施の形態２＞
以上説明した実施の形態１においては、半導体装置１０４の表面電極にコールドスプレー膜２０８が形成されている構成を示したが、実施の形態２においては、裏面電極にコールドスプレー膜を成膜した半導体装置の製造方法について、図１０〜図１２を用いて説明する。なお、図１０〜図１２においては、図５〜図９を用いて説明した実施の形態１と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、以下の説明では簡略化のため還流ダイオード１０４ｂの製造方法について説明する。
【００８０】
図１０に示すように、図示を省略した拡散層が設けられた半導体基板２０１の第１の主面２０１ａ上に、第１の主電極２１０であるＡｌ合金電極２０２を形成する。その後、半導体基板２０１を第２の主面２０１ｂ側から研削し、所定の厚さとする。
【００８１】
次に、研削後の第２の主面２０１ｂ上に、バリアメタル２０４、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６の順に形成し、第２の主電極２２０とする。
【００８２】
次に、Ａｌ合金電極２０２上に保護膜２０３を成膜するが、保護膜２０３が有機物で構成される場合は、Ｎｉ電極２０５およびＡｕ電極２０６の形成後に成膜する。その後、保護膜２０３上にコールドスプレー用のマスク５０４ａを重ね合わせる。
【００８３】
保護膜２０３の平面視形状は、図６を用いて説明した保護膜２０３と同じであり、ダイシングライン３０４に沿って設けられ、ダイシングライン３０４上には形成されない。
【００８４】
また、マスク５０４ａの平面視形状は、図７を用いて説明したマスク４０４と同じであり、半導体装置形成領域３０２のコールドスプレー膜を成膜する部分が開口部ＯＰとなっており、ダイシングライン３０４上を覆っている。なお、マスク５０４ａの材質もマスク４０４と同じである。
【００８５】
また、Ａｕ電極２０６上にコールドスプレー用のマスク５０４ｂを重ねる。マスク５０４ｂの平面視形状は、図７を用いて説明したマスク４０４と同じであり、半導体装置形成領域３０２のコールドスプレー膜を成膜する部分が開口部ＯＰとなっており、ダイシングライン３０４上を覆っている。なお、マスク５０４ｂの材質もマスク４０４と同じである。
【００８６】
このように、半導体ウェハ３０１を表面側および裏面側から、それぞれマスク５０４ａと５０４ｂとで挟み、半導体ウェハ３０１の周囲を機械的に固定して、表面側と裏面側とで同時に、相対する位置に同一条件でコールドスプレー膜を成膜する。
【００８７】
図１１は、それぞれマスク５０４ａおよび５０４ｂを重ねた半導体ウェハ３０１の表面および裏面の上部に、それぞれコールドスプレー装置４２０を配置し、それぞれのコールドスプレー装置４２０のノズル４２２の先端から粉体４２３を被接合面となるＡｌ合金電極２０２およびＡｕ電極２０６に向けて吐出している状態を示している。粉体４２３を吐出することで、Ａｌ合金電極２０２およびＡｕ電極２０６上に、それぞれコールドスプレー膜２０８ａ（第１のコールドスプレー膜）およびコールドスプレー膜２０８ｂ（第２のコールドスプレー膜）が成膜される。なお、コールドスプレー膜２０８ａは第１の金属膜と呼称し、コールドスプレー膜２０８ｂは第２の金属膜と呼称する場合もある。
【００８８】
なお、粉体４２３は、粒径１００μｍ以下の金属粉体であり、本実施の形態においては、配線材であるＣｕワイヤとウェッジボンドできる材料としてＣｕ粉体を用いる。
【００８９】
なお、粉体４２３は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕなどの金属粉体でも良い。また、Ｃｕワイヤとウェッジボンドするのではなく、Ｓｎを基材としたはんだ材により配線材をはんだで接合する場合には、はんだ接合が可能な材料であれば良く、Ｓｎを基材としたはんだの粉体であっても良い。
【００９０】
なお、裏面側のコールドスプレー膜２０８ｂは、Ｃｕワイヤと接合されない場合には、その金属はＮｉと反応性が良く、また、はんだの密着性に優れている材料であればＣｕである必要はなく、例えばＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、ＳｎなどのＳｎを基材とするはんだとの反応性が良い金属材料であれば良い。また、半導体装置１０４が絶縁基板１０３上の導体パターンとＡｇ焼結で接合される場合は、コールドスプレー膜２０８ｂの金属には、Ａｇとの反応性が良い、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄなどを用いても良い。
【００９１】
また、コールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂは同じ金属材料で同じ膜厚であることが望ましい。このような構成を採ることで、半導体ウェハ３０１の反りを抑制する効果が高まり、製造中に半導体ウェハ３０１が割れることを抑制できる。
【００９２】
ここで、同じ膜厚とは、コールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂのそれぞれの中心部分の１ｍｍ×１ｍｍの範囲で測定した平均値（平均膜厚）が同じであることを意味している。そして、先に図１４を用いて説明したように、中心部分の膜厚と保護膜２０３の近傍の膜厚との膜厚差２３２が１０μｍ以下となり、また、コールドスプレー膜２０８の最表面は１μｍ程度の凹凸を有しているので、コールドスプレー膜２０８ａと２０８ｂの膜厚の平均値の差が１０μｍ以下であれば同じ膜厚であるものとする。
【００９３】
なお、コールドスプレー装置４２０の構成は、実施の形態１で説明しているので説明は省略する。
【００９４】
上述したように、半導体ウェハ３０１の表面側および裏面側に、それぞれ同一膜厚のコールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂを形成することで、半導体ウェハ３０１がどちらか一方面側に反り返ることが抑制される。
【００９５】
コールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂを成膜後、マスク５０４ａおよび５０４ｂを取り除き、半導体ウェハ３０１上から成膜に寄与しなかった粉体をブロアーで除去する。この後、成膜されたコールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂが酸化しないように還元性を有する液体中、またはＣｕを僅かに溶解する酸性の液体中で超音波洗浄により成膜に寄与しなかった粉体を取り除く。また、コールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂの最表面に形成された酸化膜を除去し、その後、ベンゾトリアゾールのような防錆皮膜を形成して、酸化防止をしても良い。
【００９６】
コールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂが成膜された半導体ウェハ３０１は、ダイシングラインに沿って、ダイシング装置でダイシングされ、図１２に示されるように、還流ダイオード１０４ｂに個片化される。
【００９７】
このようにして形成された還流ダイオード１０４ｂは、表面側および裏面側にそれぞれコールドスプレー膜２０８ａおよび２０８ｂを有することとなり、どちらの面にもＣｕワイヤを接合することが可能となる。なお、Ｃｕワイヤを接合しない方の面は、はんだにより絶縁基板１０３上の導体パターンに接合されるが、コールドスプレー膜を有することで、接合部の信頼性が大幅に向上する。
【００９８】
なお、上述した製造方法では、マスク５０４ｂでダイシングライン３０４上を覆うようにしたので、図１２に示した還流ダイオード１０４ｂでは、コールドスプレー膜２０８ｂの端面の位置は、ダイシングラインに相当する半導体基板２０１の端面から所定距離離れた場所に存在しているが、裏面側に成膜されたコールドスプレー膜２０８ｂをダイシング工程で十分に切断可能である場合は、必ずしも裏面側のコールドスプレー用のマスク５０４ｂは必要ではなく、コールドスプレー膜２０８ｂを半導体ウェハ３０１の裏面全面に形成するようにしても良い。
【００９９】
この場合、図１３に示されるように、還流ダイオード１０４ｂの裏面全面にコールドスプレー膜２０８ｂが成膜される。なお、本実施の形態では半導体ウェハの表面側および裏面側に同時にコールドスプレー膜を成膜する方法について説明したが、片面ずつ成膜しても良く、成膜順序も特に限定されるものではない。また、膜厚も必ずしも同じにしなくても良い。
【０１００】
＜変形例＞
以上説明した実施の形態２においては、コールドスプレー膜２０８ｂをＡｕ電極２０６上に成膜した構成を採ったが、Ａｕ電極２０６を設けず、Ｎｉ電極２０５上に成膜した構成としても良い。この場合、高価なＡｕを使用せずに済むので、半導体装置を安価に製造することが可能となる。
【０１０１】
Ｎｉ電極２０５上にコールドスプレー膜２０８ｂを成膜する際は、コールドスプレー装置から吐出された金属粉体が持つ熱エネルギーと運動エネルギーが被接合面であるＮｉ電極２０５に衝突することで生じる摩擦熱（エネルギー）により、金属粉体およびＮｉ電極２０５のそれぞれの最表面で変形が生じて相互に絡み合う。また、それぞれの最表面の金属酸化膜が除去されて、金属粉体とＮｉ電極２０５の界面で生じる反応により形成された膜の上に連続的にコールドスプレー装置から金属粉体が吐出され、先に形成されたコールドスプレー膜の上に連続的に衝突することで膜厚が増加し、最終的にコールドスプレー膜２０８ｂとなる。
【０１０２】
ここで、Ｎｉ電極２０５上に成膜されるコールドスプレー膜２０８ｂとＡｌ合金電極２０２上に成膜されるコールドスプレー膜２０８ａは、共に同じ粒径分布を有しているが、裏面側のコールドスプレー膜２０８ｂは、Ｃｕワイヤと接合されない場合には、その金属はＮｉと反応性が良く、また、はんだの密着性に優れている材料であればＣｕである必要はなく、例えばＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、ＳｎなどのＳｎを基材とするはんだとの反応性が良い金属材料であれば良い。また、半導体装置１０４が絶縁基板１０３上の導体パターンとＡｇ焼結で接合される場合は、コールドスプレー膜２０８ｂの金属には、Ａｇとの反応性が良い、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄなどを用いても良い。
【０１０３】
＜実施の形態３＞
図１５は、本発明に係る実施の形態３の半導体装置が実装された半導体装置モジュール（以下、モジュールと呼称）３００の断面図である。図１６はモジュール３００を上方から見た部分平面図であり、開口部を閉じるカバーおよび封止樹脂などは省略している。なお、図Ａ−Ｂ−Ａ線における矢印方向の断面が図１５の断面である。なお、図１５および図１６においては、図１および図２を用いて説明したモジュール１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０４】
図１５に示されるように、モジュール３００は、半導体装置１０４の上部の主配線がＣｕワイヤではなくＣｕ板による板状配線１０８ａで構成されている点が実施の形態１のモジュール１００と異なっている。
【０１０５】
すなわち、板状配線１０８ａは、ケース１０２内に設置された端子の一部であり、その一方の端部が端子としても機能するので、板上端子１０８ａと呼称する。板状配線１０８ａを用いることで、半導体装置１０４の上面電極１０９との接触面積を増やすことができ、接触抵抗を低減できる。
【０１０６】
板状配線１０８ａは、スイッチングデバイス１０４ａの上面電極１０９と還流ダイオード１０４ｂの上面電極１０９とを端子接合はんだ１０７ｃ（はんだ１０７ｃと呼称する場合あり）により接合することで、両デバイスを結線している。板状配線１０８ａは、スイッチングデバイス１０４ａの上面電極１０９に対応する位置および還流ダイオード１０４ｂの上面電極１０９に対応する位置に開口部ＯＰを有しており、当該開口部ＯＰにはんだ１０７ｃが充填されることで、各上面電極１０９と板状配線１０８ａとが導通される。なお、はんだ１０７ｃはチップ下はんだ１０７ａと異なる組成のはんだ材であっても良く、また、はんだではなく、Ａｇを含有した接着剤またはＡｇ焼結材を用いて板状端子１０８ａと上面電極１０９とを接合しても良い。なお、各上面電極１０９の端縁部には保護膜２０３が設けられている。
【０１０７】
また、スイッチングデバイス１０４ａのゲート電極１０９ａは、ゲート配線１０６ｂを介して上側導体パターン１０３ｃに接続され、また、ゲート配線１０６ｂは信号用端子１０８ｂとも結線されている。また、スイッチングデバイス１０４ａの上面電極１０９は、信号検出配線１０６ｃを介して上側導体パターン１０３ｆに接続され、また、信号検出配線１０６ｃは信号用端子１０８ｃとも結線されている。
【０１０８】
板状配線１０８ａは、電流を流すことが可能な電気伝導性を有していれば良く、Ｃｕよりも熱膨張率が小さい板材であっても良く、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるインバーの表裏面にＣｕめっきが施されたＣｕ−Ｉｎｖａｒ−Ｃｕの多層構造となった板材であっても良い。
【０１０９】
また、板状配線１０８ａは、主端子１０８ａと一体であるが、主端子と板状配線とを別体で設け、溶接、はんだ付け、超音波接合などの接合方法で接合されて一体となった構造であっても良い。
【０１１０】
また、図１に示したように、ソース電極に電気的に接続される上側導体パターン１０３ｂを設け、上側導体パターン１０３ｂと板状配線１０８ａとをはんだで接続し、図１に示したように上側導体パターン１０３ｂと端子１０８を配線１０６で接続しても良いし、板状配線で接続しても良い。
【０１１１】
図１５のモジュール３００において、破線で囲った領域Ａの部分拡大図を図１７に示す。図１７に示すように、配線経路長が短いほどインダクタンスを低減させることが可能となるため、板状配線１０８ａと保護膜２０３との距離は、可能な限り短いことが望まれる。一方で、保護膜２０３の上部に集中する電界強度を緩和するため、板状配線１０８ａと保護膜２０３との距離は３００μｍ以上であることが望ましい。本実施の形態３において、保護膜２０３と板状端子１０８ａの距離は３００μｍから７００μｍの範囲に設定する。
【０１１２】
半導体装置１０４は動作中に発熱し、半導体装置１０４の中心部が高温となり同心円状に温度が低くなるように温度が分布する。コールドスプレー膜２０８は、図１４を用いて説明したように、端部に比較して中心部の膜厚が厚いことから、板状端子１０８ａを介して半導体装置１０４の上部からの熱を放熱する経路において、効率的に放熱できるという性能を有している。
【０１１３】
また、はんだ材に比較して熱伝導率に優れるＣｕ材によるコールドスプレー膜２０８を成膜することで、コールドスプレー膜２０８の厚膜部の上部から効率的に放熱することが可能となると言った効果も得られる。
【０１１４】
また、コールドスプレー膜２０８表面は、図１４を用いて実施の形態１で説明した通り、表面に凹凸を有していることから、表面が平滑な場合に比較して、はんだ材との接合面積が大きくなり接合強度が向上する。
【０１１５】
半導体装置１０４の動作による発熱によって、半導体装置１０４、コールドスプレー膜２０８、端子接合はんだ１０７ｃおよび板状端子１０８ａの各種材料の線膨張率の差に起因して、せん断方向に発生する応力により、線膨張率が大きい端子接合はんだ１０７ｃの膨張収縮に対して、線膨張率が小さい半導体装置１０４との接合界面から劣化が進む。
【０１１６】
半導体装置１０４、コールドスプレー膜２０８、端子接合はんだ１０７ｃ、板状端子１０８ａのそれぞれの線膨張率は、４．２×１０−６／Ｋ、１６．８×１０−６／Ｋ、２０〜２５×１０−６／Ｋ、１６．８×１０−６／Ｋである。
【０１１７】
なお、端子接合はんだ１０７ｃは、組成により線膨張率が異なる。線膨張率が半導体装置１０４と端子接合はんだ１０７ｃの間にＣｕのコールドスプレー膜２０８が存在するので、コールドスプレー膜２０８が応力緩衝層となって端子接合はんだ１０７ｃに発生する応力を低減させる。また、コールドスプレー膜２０８は、中心部の膜厚が端部より厚い特長を有しており、端子接合はんだ１０７ｃの見かけの線膨張率を低下させることができる。
【０１１８】
また、図１８を用いて説明したように、コールドスプレー膜２０８は、膜厚方向における中央部の空孔の数（密度）が、Ａｌ合金電極２０２に近い領域での空孔の数よりも多く、また、最表面付近の空孔の数よりも多いと言う特長を有している。このため、半導体装置１０４の動作時の繰り返し発熱により発生する応力をコールドスプレー膜２０８中心部分の空孔が多い領域で緩和できると言った効果も得られる。
【０１１９】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【０１２０】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月11日(2019.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極と、
前記第１の主電極の端縁部上に配設された保護膜と、
前記第１の主電極上の前記保護膜で囲まれた領域に配設された第１の金属膜と、を備え、
前記第１の金属膜は、コールドスプレー膜であり、
中心部分の膜厚が、前記保護膜に接する部分の膜厚よりも厚く、かつ表面に凹凸を有する、半導体装置。
【請求項２】
前記第１の金属膜の中心部分の膜厚と前記保護膜に接する部分の膜厚との差は、１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹凸は１μｍ以下の凹凸である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の金属膜は、
前記第１の主電極に近いほど粉体粒子間隔が緻密で、前記第１の主電極から離れるにつれて粉体粒子間隔が粗くなり、最表面に近づくにつれて粉体粒子間隔が緻密となる膜構造を有する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の主電極上に配設された第２の金属膜をさらに備え、
前記第２の金属膜は、
前記第１の金属膜と同じ金属材料で、平均膜厚が同じ膜厚を有する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の金属膜の上部に接続される配線を備え、
前記配線は、ワイヤで構成される、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の金属膜の上部に接続される配線を備え、
前記配線は板材で構成される、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極を備える半導体装置の製造方法であって、
（ａ）前記第１の主電極上に選択的に形成された保護膜上を覆うようにマスクを重ねる工程と、
（ｂ）コールドスプレー装置により、前記マスクを介して前記第１の主電極上に金属粉体を噴射することで第１のコールドスプレー膜を形成する工程と、を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）は、
前記第２の主電極上に、前記金属粉体を噴射することで、前記第１のコールドスプレー膜と同時に第２のコールドスプレー膜を形成する工程を含む、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）は、
前記金属粉体が粒径分布を有しており、前記粒径分布のピークを形成する粒径以下の粒子が先に被接合面に到達し、前記ピークを形成する粒径を超える粒径の粒子が、後から被接合面に到達するように、前記金属粉体の噴射圧力を設定する工程を含む、請求項８または請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記噴射圧力は、０．１〜１０ＭＰａの範囲の圧力に設定される、請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記ピークを形成する粒径は、２０μｍを中心として前後１０％の範囲の粒径を含む、請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｂ）は、
前記コールドスプレー装置から前記金属粉体を吐出するノズルの先端と前記マスクとの距離が、１ｍｍ〜３００ｍｍの範囲となるように前記ノズル位置を設定する工程を含む、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）は、
前記第１のコールドスプレー膜と同じ金属材料で、同じ膜厚となるように前記第２のコールドスプレー膜を形成する工程を含む、請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記金属粉体はＣｕまたはＣｕ合金である、請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の第１の主面上および第２の主面上にそれぞれ配設された第１の主電極および第２の主電極と、前記第１の主電極の端縁部上に配設された保護膜と、前記第１の主電極上の前記保護膜で囲まれた領域に配設された第１の金属膜と、を備え、前記第１の金属膜は、コールドスプレー膜であり、中心部分の膜厚が、前記保護膜に接する部分の膜厚よりも厚く、かつ表面に凹凸を有している。
【国際調査報告】
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