(57)【要約】【課題】  半導体基板の一面に形成されたアルミニウム電極に対してはんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極を形成してなる半導体装置において、金属電極の凹凸を小さくし、アルミニウム電極の接合性を向上させるとともに、電気的不良を低減する。【解決手段】  半導体基板１の一面１ａ上にアルミニウム電極１１を形成し、アルミニウム電極１１の上に保護膜１２を形成し、保護膜１２に開口部１２ａを形成するとともに、開口部１２ａから臨むアルミニウム電極１１の表面をエッチングした後、このエッチングされたアルミニウム電極１１の表面上に金属電極１３を形成してなる半導体装置において、エッチングにより形成されたアルミニウム電極１１の表面の凹部１１ａは、その開口部側よりも底部側の方が広がった形状となっている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１）の一面（１ａ）上にアルミニウム電極（１１）を形成し、前記アルミニウム電極（１１）の上に保護膜（１２）を形成し、前記保護膜（１２）に開口部（１２ａ）を形成するとともに、前記開口部（１２ａ）から臨む前記アルミニウム電極（１１）の表面をエッチングした後、このエッチングされた前記アルミニウム電極（１１）の表面上に、はんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極（１３）を形成してなる半導体装置において、
前記エッチングにより形成された前記アルミニウム電極（１１）の表面の凹部（１１ａ）は、その開口部側よりも底部側の方が広がった形状となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記アルミニウム電極（１１）の前記凹部（１１ａ）の底部側は、アルミニウムの粒界でない部位がエッチングされることにより前記凹部（１１ａ）の開口部側よりも広くなっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記アルミニウム電極（１１）の前記凹部（１１ａ）の開口部は、アルミニウムの粒界がエッチングされた部分であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体基板（１）の一面（１ａ）上には、パターニングされた層間絶縁膜（４）が形成されており、
前記アルミニウム電極（１１）は前記層間絶縁膜（４）を覆うように形成されており、
前記アルミニウム電極（１１）の前記凹部（１１ａ）の底部と前記層間絶縁膜（４）との距離（Ｗ３）が、０．５μｍ以上となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記アルミニウム電極（１１）の前記凹部（１１ａ）の底部と前記層間絶縁膜（４）との距離（Ｗ３）が、０．９μｍ以上となっていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記アルミニウム電極（１１）の材質は、純Ａｌ、Ａｌ−ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕのうちから選択された１種であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属電極（１３）は、前記アルミニウム電極（１１）の表面側からニッケルメッキ層（１３ａ）、金メッキ層（１３ｂ）が順次無電解メッキにより形成され積層されてなる膜であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属電極（１３）は、物理的気相成長法により形成された膜であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記金属電極（１３）は、鉛フリーはんだを用いてはんだ付けされたものであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記金属電極（１３）は、はんだ（６０）を介して金属製のヒートシンク（２０）と接合されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体基板（１）の厚さが２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の一面に形成されたアルミニウム電極に対してはんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極を形成してなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の一面にアルミニウム電極を形成し、このアルミニウム電極に対してヒートシンク等をはんだ付けするようにした半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
このような半導体装置の場合、バンプ電極技術（例えば、特許文献３参照）を応用して、半導体基板の一面上において、アルミニウム電極の上に保護膜を形成し、この保護膜に開口部を形成した後、この開口部から臨むアルミニウム電極の表面上に、はんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極を形成することが考えられる。
【０００４】
この金属電極は、たとえば、アルミニウム電極の表面側からニッケルメッキ層、金メッキ層が順次無電解メッキにより形成され積層されてなる無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜や、ニッケルやＡｕなどの膜が物理的気相成長法（ＰＶＤ法）により形成された膜とすることができる。
【特許文献１】特開２００２−１１０８９３号公報
【特許文献２】特開２００３−１１００６４号公報
【特許文献３】特開昭６３−３０５５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体基板の一面上において、保護膜の開口部から臨むアルミニウム電極の表面上に、はんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極をメッキ等により形成する場合、この金属電極の形成前に、アルミニウム電極表面の酸化膜をウェットエッチングにより除去し、金属電極の成膜性を確保するのが通常である。
【０００６】
たとえば、半導体基板上に形成されたアルミニウム電極を保護膜で開口し、そのアルミニウム電極の表面上に無電解Ｎｉ／Ａｕメッキで金属電極を形成する場合に、アルミニウム電極上の酸化膜をエッチングしすることによって除去した後、無電解Ｎｉ／Ａｕメッキを行う。
【０００７】
このＮｉ／Ａｕメッキによる金属電極の形成について、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して説明する。図７は、一般的なＮｉ／Ａｕメッキによる金属電極の形成工程を示す概略断面図である。
【０００８】
半導体基板１の一面上には、パターニングされた層間絶縁膜４が形成されている。この層間絶縁膜４は、ゲートとエミッタとの間の電気的な絶縁を行うものである。この層間絶縁膜４を覆うように半導体基板１の一面上に、アルミニウム電極１１をスパッタや蒸着などにより成膜する。
【０００９】
図７（ａ）に示されるように、成膜されたアルミニウム電極１１は、層間絶縁膜４の形状に対応して凹凸形状となっている。その後、アルミニウム電極１１の表面をエッチングして酸化膜を除去し、続いて、図７（ｂ）に示されるように、金属電極１３として、Ｎｉメッキ層１３ａ、Ａｕメッキ層１３ｂからなる積層膜を形成する。
【００１０】
ここで、アルミニウム電極１１表面の酸化膜を除去する際、アルミニウムのエッチング量が大きいと、アルミニウム電極１１表面の凹凸が大きくなり、図７（ｂ）に示されるように、その上に形成された金属電極１３の表面にも凹凸が発生する。
【００１１】
そして、図７（ｃ）に示されるように、このような表面の凹凸の大きな金属電極１３に対して、はんだ６０を接合する際、はんだ付けの熱などによって、はんだ拡散層６０ａが大きくなるという問題が発生する。
【００１２】
このはんだ拡散層６０ａは、金属電極１３とはんだ６０とが互いに拡散してできた層であり、たとえば、金属電極１３が、上記無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜である場合には、ＮｉとはんだのＳｎとが拡散して混合した層である。
【００１３】
はんだ６０の拡散は、金属電極１３の粒界が大きいほど拡散速度が速いため、金属電極１３の表面の凹凸は小さい方が好ましい。はんだ拡散層６０ａが大きくなり、アルミニウム電極１１の近くまで拡散層６０ａが成長すると、はんだ６０とアルミニウム電極１１との剥離が生じてしまう。
【００１４】
また、図示しないけれども、図７（ｂ）に示されるような表面の凹凸の大きな金属電極１３に対して、ボンディングワイヤを接合するような場合には、金属電極１３表面の凹凸が大きいものであるがゆえに、ボンディングワイヤと金属電極１３との接合性が低下してしまうことはあきらかである。
【００１５】
また、金属電極１３の凹凸が大きいと、金属電極１３自身の凸凹（でこぼこ）度合も大きくなるため、金属電極１３と層間絶縁膜４との距離が近くなりやすい。その結果、金属電極１３と層間絶縁膜４とが接触することなどにより、Ｖｔ不良などの電気的不良が発生するという問題も生じる。
【００１６】
特に、無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜などからなる金属電極の上に金属製のヒートシンクをはんだ付けするような場合には、熱履歴により、金属電極とはんだ中のＳｎとの拡散が早くなり、耐久性を低下させるという問題がある。
【００１７】
なお、上記したような諸問題は、金属電極がメッキ膜であるものに限らず、物理的気相成長法（ＰＶＤ法）により形成された膜である場合にも、共通して発生するものと考えられる。
【００１８】
本発明は上記問題に鑑み、半導体基板の一面に形成されたアルミニウム電極に対してはんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極を形成してなる半導体装置において、アルミニウム電極上の金属電極の凹凸を小さくし、アルミニウム電極の接合性を向上させるとともに、電気的不良を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１）の一面（１ａ）上にアルミニウム電極（１１）を形成し、アルミニウム電極（１１）の上に保護膜（１２）を形成し、保護膜（１２）に開口部（１２ａ）を形成するとともに、開口部（１２ａ）から臨むアルミニウム電極（１１）の表面をエッチングした後、このエッチングされたアルミニウム電極（１１）の表面上に、はんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極（１３）を形成してなる半導体装置において、エッチングにより形成されたアルミニウム電極（１１）の表面の凹部（１１ａ）は、その開口部側よりも底部側の方が広がった形状となっていることを特徴としている。
【００２０】
それによれば、アルミニウム電極（１１）においてエッチングにより形成された表面の凹部（１１ａ）の形状が、底部側よりも開口部側の方が狭まった形状となる。そのため、当該凹部（１１ａ）の上に形成された金属電極（１３）が当該凹部（１１ａ）に入り込みにくくなり、金属電極（１３）の凹凸は小さくなる。
【００２１】
よって、本発明によれば、半導体基板（１）の一面（１ａ）に形成されたアルミニウム電極（１１）に対してはんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極（１３）を形成してなる半導体装置において、アルミニウム電極（１１）上の金属電極（１３）の表面の凹凸を小さくし、アルミニウム電極（１１）の接合性を向上させるとともに、電気的不良を低減することができる。
【００２２】
ここで、本発明者らの検討によれば、アルミニウム電極をエッチングするとき、通常は、アルミニウム電極の厚さ方向に延びる粒界に沿ってエッチングが進行することにより、凹部が形成される。
【００２３】
本発明者らは、このアルミニウム電極のエッチングにおいて、請求項２に記載の発明のように、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の底部側を、アルミニウムの粒界でない部位（つまりアルミニウムの粒内）がエッチングされることにより凹部（１１ａ）の開口部側よりも広くなっているものにすれば、請求項１に記載の半導体装置におけるアルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）形状を適切に実現できることを見出した。
【００２４】
また、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の構成を、この請求項２の発明のようなものにすることにより、当該凹部（１１ａ）を比較的浅いものにすることができる、つまり、アルミニウム電極（１１）の凹凸を小さくすることができ、好ましい。
【００２５】
ここで、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の半導体装置においては、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の開口部は、アルミニウムの粒界がエッチングされた部分とすることができる。
【００２６】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の半導体装置において、半導体基板（１）の一面（１ａ）上には、パターニングされた層間絶縁膜（４）が形成されており、アルミニウム電極（１１）は層間絶縁膜（４）を覆うように形成されている場合に、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の底部と層間絶縁膜（４）との距離が、０．５μｍ以上となっていることを特徴としている。
【００２７】
本発明は、実験的に見出されたものであり、このように、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の底部と層間絶縁膜（４）との距離（Ｗ３）を０．５μｍ以上と厚くすれば、アルミニウム電極（１１）上にはんだ付けを行う際に、はんだ（６０）の拡散層による接合不良を高いレベルで防止できる（図４参照）。
【００２８】
さらに、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載の半導体装置においては、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の底部と層間絶縁膜（４）との距離（Ｗ３）が０．９μｍ以上となっていることが好ましい。
【００２９】
本発明も、実験的に見出されたものであり、このように、アルミニウム電極（１１）の凹部（１１ａ）の底部と層間絶縁膜（４）との距離（Ｗ３）を０．９μｍ以上と、よりいっそう厚くすれば、さらに、Ｖｔ不良などの電気的不良を高いレベルで防止することができる（図５参照）。
【００３０】
また、請求項６に記載の発明のように、請求項１〜請求項５に記載の半導体装置においては、アルミニウム電極（１１）の材質として、純Ａｌ、Ａｌ−ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕのうちから選択された１種を採用することができる。
【００３１】
さらに、請求項７に記載の発明のように、請求項１〜請求項６に記載の半導体装置においては、金属電極（１３）としては、アルミニウム電極（１１）の表面側からニッケルメッキ層（１３ａ）、金メッキ層（１３ｂ）が順次無電解メッキにより形成され積層されてなる膜にすることができる。
【００３２】
また、請求項８に記載の発明のように、請求項１〜請求項６に記載の半導体装置においては、金属電極（１３）としては、物理的気相成長法により形成された膜にすることができる。
【００３３】
また、請求項９に記載の発明では、請求項１〜請求項８に記載の半導体装置において、金属電極（１３）は、鉛フリーはんだを用いてはんだ付けされたものであることを特徴としている。
【００３４】
鉛を含有しない鉛フリーはんだは、環境に優しいが、従来用いられてきた鉛入りのはんだに比べて硬い。そのため、金属電極に加わる応力も大きくなり、従来の半導体装置ではアルミニウム電極と金属電極との剥離が生じやすい。そのような鉛フリーはんだを用いた半導体装置において、本発明は有効に作用する。
【００３５】
さらに、請求項１０に記載の発明では、請求項１〜請求項８に記載の半導体装置において、金属電極（１３）は、はんだ（６０）を介して金属製のヒートシンク（２０）と接合されていることを特徴としている。
【００３６】
上述したように、本発明者らの検討によれば、金属電極の上にヒートシンクをはんだ付けする場合、熱履歴により、はんだの拡散の問題が顕著になるが、そのようなヒートシンクとはんだ付けされた半導体装置に対して、本発明は有効に作用する。
【００３７】
また、請求項１１に記載の発明では、請求項１〜請求項１０に記載の半導体装置において、半導体基板（１）の厚さが２５０μｍ以下であることを特徴としている。
【００３８】
半導体基板（１）が厚いと、アルミニウム電極（１１）上にはんだ付けを行うときに、熱応力が大きくなり、上記したはんだの拡散が促進されてしまうため、半導体基板（１）の厚さは２５０μｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００４１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる半導体装置１００の全体構成を示す概略断面図である。
【００４２】
また、図２（ａ）は、図１中のエミッタ電極２の近傍部の拡大断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のアルミニウム電極（Ａｌ電極）１１と金属電極１３との界面近傍の拡大断面図である。
【００４３】
図１に示されるように、本実施形態では、半導体装置としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が形成された半導体チップ１０を、その両面にはんだ付けされたヒートシンク２０、３０、４０によって挟み込み、さらに、樹脂５０にてモールドした構成のものを採用している。以下、この構成を、両面はんだ付けモールド構造ということにする。
【００４４】
半導体チップ１０は、シリコン半導体等の半導体基板１を本体として構成されており、この半導体基板１の厚みは２５０μｍ以下と薄いものとしている。
【００４５】
以下、半導体チップ１０すなわち半導体基板１の外表面のうち、図１中の上面側に相当する素子形成面側の面を表面１ａといい、表面１ａとは反対側の面を裏面１ｂということにする。
【００４６】
そして、半導体チップ１０の表面１ａには、エミッタ電極２およびゲート電極３が形成されており、裏面１ｂには、コレクタ電極４が形成されている。
【００４７】
ここで、エミッタ電極２には、はんだ６０を介して第１のヒートシンク２０が接合されており、さらに、第１のヒートシンク２０の外側には、はんだ６０を介して第２のヒートシンク３０が接合されている。
【００４８】
また、ゲート電極３にはボンディングワイヤ７０が接続されており、このボンディングワイヤ７０を介して、ゲート電極３と半導体チップ１０の周辺に設けられた外部接続用のリード８０とが結線され電気的に接続されている。
【００４９】
また、コレクタ電極４は、はんだ６０を介して第３のヒートシンク４０と接合されている。ここで、はんだ６０としては、鉛フリーはんだが用いられるが、例えば、鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだやＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系はんだ等を採用することができる。
【００５０】
また、ヒートシンク２０、３０、４０は銅（Ｃｕ）等の熱伝導性に優れた材料からなるものである。ボンディングワイヤ７０は、一般的なＡｌや金（Ａｕ）等からなるワイヤを通常のワイヤボンディング法により形成したものである。
【００５１】
ここで、エミッタ電極２およびゲート電極３の詳細な構成は図２に示される。図２では、エミッタ電極２を表しているが、ゲート電極３も、接続相手がはんだ６０とボンディングワイヤ７０との違いはあるもののエミッタ電極２と同様の構成である。
【００５２】
図２（ａ）に示されるように、半導体基板１の一面すなわち表面１ａ上に、Ａｌからなるアルミニウム電極１１が形成されている。アルミニウム電極１１は、蒸着やスパッタ等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）により形成されたＡｌの膜であり、例えば、膜厚は１μｍ程度とすることができる。
【００５３】
より具体的に、アルミニウム電極１１を構成する材質としては、純Ａｌや、Ａｌを主成分とするＡｌ−ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどの混成材料から選択された１種を採用することができる。
【００５４】
ここで、半導体基板１の表面１ａ上には、パターニングされた層間絶縁膜４が形成されている。この層間絶縁膜４は、ゲートとエミッタとの間の電気的な絶縁を行うものである。そして、アルミニウム電極１１は、この層間絶縁膜４を覆うように半導体基板１の表面１ａ上に成膜されている。
【００５５】
そして、アルミニウム電極１１の表面（図２中の上面）は、後述する金属電極１３を形成すべく酸化膜を除去するためにウェットエッチングが施されている。このエッチングにより、図２（ｂ）に示されるように、アルミニウム電極１１の表面には凹部１１ａが形成されることになる。
【００５６】
ここで、図２（ｂ）に示されるように、凹部１１ａは、層間絶縁膜４の間に形成されているが、これは、通常アルミニウム電極１１を成膜する際、層間絶縁膜４の頂部４ａから粒界が成長しやすく、その結果として、層間絶縁膜４の間の部位に粒界が存在しやすいためである。
【００５７】
アルミニウム電極１１のエッチングにおいては、アルミニウムの膜密度の高い部分に比べて、膜密度の低い部分の方がエッチングされやすい。そのため、エッチングされた後のアルミニウム電極１１の表面においては、層間絶縁膜４の間に凹部１１ａが存在しやすいのである。
【００５８】
そして、本実施形態では、図２（ｂ）に示されるように、このエッチングにより形成されたアルミニウム電極１１の表面の凹部１１ａは、その開口部側よりも底部側の方が広がった形状となっている。
【００５９】
つまり、アルミニウム電極１１の凹部１１ａにおいては、図２（ｂ）中に示される凹部１１ａの開口部の幅寸法Ｗ１が、凹部１１ａの底部の幅寸法Ｗ２よりも小さいものとなっている。
【００６０】
このような形状の凹部１１ａは、当該凹部１１ａの底部側が、アルミニウムの粒界でない部位すなわちアルミニウムの粒内がエッチングされることで凹部１１ａの開口部側よりも広くなることにより、実現されている。また、このとき、凹部１１ａの開口部は、アルミニウムの粒界がエッチングされた部分である。
【００６１】
つまり、凹部１１ａを断面顕微鏡観察などで調べると、凹部１１ａの開口部側は、アルミニウム膜の厚さ方向に延びる粒界に沿ってエッチングが進んでおり、この粒界の途中で粒界から粒内へエッチングが横方向（膜の面方向）へ進むことにより、凹部１１ａの底部が広がった形状となっている。
【００６２】
従来のエッチングでは、アルミニウム電極をエッチングするとき、通常は、アルミニウム電極の厚さ方向に延びる粒界に沿ってエッチングが進行することにより、凹部が形成される。そのため、エッチング後の凹部は深いものとなり、その結果、アルミニウム電極の表面の凹凸も大きくなる。
【００６３】
しかし、本実施形態のような凹部１１ａの底部側がアルミニウムの粒内がエッチングされたものである場合には、当該凹部１１ａを比較的浅いものにすることができる。
【００６４】
つまり、アルミニウム電極１１の凹凸を小さくすることができる。なお、本実施形態においては、エッチング液の組成やエッチング温度など、エッチング条件を調整することにより、このような凹部１１ａを形成することができる。
【００６５】
また、図２（ｂ）において、アルミニウム電極１１の凹部１１ａの底部と層間絶縁膜４の頂部４ａとの距離Ｗ３が、０．５μｍ以上となっていることが好ましい。ここで、より望ましくは、距離Ｗ３は０．９μｍ以上となっていることが好ましい。
【００６６】
そして、図２（ａ）に示されるように、アルミニウム電極１１の上には、電気絶縁性材料からなる保護膜１２が形成されている。このような保護膜１２は、例えばポリイミド系樹脂等の電気絶縁性材料を用い、これらをスピンコート法などによって成膜することで、形成することができる。
【００６７】
また、この保護膜１２には、アルミニウム電極１１の表面を開口させる開口部１２ａが形成されている。この開口部１２ａは、例えばフォトリソグラフ技術を用いたエッチングを行うことにより形成することができる。
【００６８】
そして、開口部１２ａから臨むアルミニウム電極１１の表面は、上述したようにエッチングが施されることによって上記凹部１１ａが形成されており、このアルミニウム電極１１の表面上には、金属電極１３が形成されている。この金属電極１３は、エミッタ電極２においては、はんだ付け用のものであり、ゲート電極３においては、ワイヤボンディング用のものである。
【００６９】
本実施形態では、金属電極１３はメッキにより形成された膜であり、たとえば、Ｎｉ／Ａｕの積層メッキ膜、Ｃｕメッキ膜、あるいはＮｉ−Ｆｅ合金のメッキ膜等を採用することができる。
【００７０】
本例では、金属電極１３は、アルミニウム電極１１の表面側からニッケルメッキ層１３ａ、金メッキ層１３ｂが順次無電解メッキにより形成され積層されてなる膜すなわち無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜としている。そして、本実施形態では、従来に比べて、金属電極１３の凹凸は大幅に低減されている。
【００７１】
たとえば、ニッケルメッキ層１３ａの厚さは、３〜７μｍ程度であって例えば５μｍ程度、金メッキ層１３ｂの厚さは、０．０４〜０．２μｍ程度であって０．１μｍ程度にすることができる。
【００７２】
そして、金属電極１３は、鉛フリーはんだからなるはんだ６０を用いて金属製の第１のヒートシンク２０と接合されている。つまり、アルミニウム電極１１は、はんだ付けされる金属電極１３を介してはんだ６０と接合されている。
【００７３】
このように、本実施形態においては、半導体チップ１０のエミッタ電極２およびゲート電極３は、アルミニウム電極１１とメッキ膜としての金属電極１３との積層膜として構成されている。
【００７４】
このような半導体チップ１０におけるエミッタ電極２およびゲート電極３の形成方法について、図３を参照述べる。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本形成方法を説明するための工程図である。
【００７５】
まず、半導体基板１の表面１ａにスパッタや蒸着などのＰＶＤ法によりアルミニウム電極１１を形成する（図３（ａ）参照）。ここで、アルミニウム電極１１そのものを、あらかじめ極力平坦にして形成することが好ましい。
【００７６】
これは、成膜条件を調整することで極力平坦な膜形成が可能である。それにより、結果的に、アルミニウム電極１１表面のエッチング後におけるアルミニウム電極１１の表面の凹凸を低減することができる。そして、このことによって、その上の金属電極１３の凹凸を低減させることが可能となり、好ましい。
【００７７】
次に、図３では示さないが、このアルミニウム電極１１の上に保護膜１２をスピンコート法などを用いて形成し、フォトエッチングなどによって保護膜１２に開口部１２ａを形成する。
【００７８】
その後、アルミニウムのエッチング液を用いたウェットエッチングにより、この開口部１２ａから臨むアルミニウム電極１１の表面をエッチングする。このエッチングにより、アルミニウム電極１１表面の酸化膜の除去が行われ、上記凹部１１ａが形成されるとともに当該表面を清浄化することができる。
【００７９】
そして、凹部１１ａが形成されたアルミニウム電極１１の表面に、メッキにより金属膜１３を形成する（図３（ｂ）参照）。本例では、無電解メッキにより金属膜１３として無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜を形成する。こうして、アルミニウム電極１１および金属電極１３より構成されるエミッタ電極２およびゲート電極３ができあがる。
【００８０】
その後、はんだ６０を介して金属電極１３と上記第１のヒートシンク２０とのはんだ付けを行う。
【００８１】
このはんだ６０が接合された状態が、図３（ｃ）に示される。はんだ付け後においては、はんだ６０と金属電極１３との間で拡散層（はんだ拡散層）６０ａが形成され、金メッキ層１３ｂは実質的に消失する。ここでは、はんだ拡散層６０ａは、Ｓｎ（すず）とＮｉ（ニッケル）とが拡散したＮｉ−Ｓｎ拡散層である。
【００８２】
なお、上記図１において、半導体基板１の裏面１ｂに形成され第３のヒートシンク４０とはんだ付けされているコレクタ電極４は、半導体基板１の裏面１ｂの略全面にスパッタなどにより形成されている。
【００８３】
たとえば、このコレクタ電極４は、半導体基板１の裏面１ｂ側から順次、Ｔｉ（チタン）層、Ｎｉ（ニッケル）層、Ａｕ（金）層がスパッタにより積層形成されたＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ膜とすることができる。
【００８４】
また、図１において、樹脂５０は第２のヒートシンク３０と第３のヒートシンク４０との間に充填され、当該ヒートシンク３０、４０間に位置する構成部品を封止している。ここで、リード８０については、ボンディングワイヤ７０との接続部が樹脂５０にて封止されている。
【００８５】
この樹脂５０は、エポキシ系樹脂など、電子分野において通常用いられるモールド樹脂材料を採用することができ、金型を用いたトランスファーモールド法などにより成型されるものである。
【００８６】
このようにして、本実施形態の半導体装置１００が構成されている。そして、この半導体装置１００では、半導体チップ１０からの発熱を熱伝導性にも優れたはんだ６０を介して各ヒートシンク２０、３０、４０に伝え、放熱を行うことができるようになっている。つまり、本実施形態では、半導体チップ１０の両面１ａ、１ｂからの放熱が可能となっている。
【００８７】
また、各ヒートシンク２０、３０、４０は半導体チップ１０との電気的な経路となっている。つまり、第１および第２のヒートシンク２０、３０を介して半導体チップ１０のエミッタ電極２の導通が図られ、第３のヒートシンク４０を介して半導体チップ１０のコレクタ電極４の導通が図られるようになっている。
【００８８】
次に、上記構成を有する半導体装置１００の組み付け方法について、簡単に述べておく。各電極２、３、４が形成された半導体チップ１０を用意し、当該各電極２〜４の表面にはんだ６０を配設する。
【００８９】
そして、半導体チップ１０に対して、はんだ６０を介して第１および第３のヒートシンク２０、４０を接合する。その後、ワイヤボンディングを行って半導体チップ１０のゲート電極３とリード８０とをボンディングワイヤ７０により電気的に接続する。
【００９０】
そして、第１のヒートシンク２０の外側に第２のヒートシンク３０をはんだ６０を介して接合する。続いて、樹脂５０によるモールドを行う。こうして、上記半導体装置１００が完成する。
【００９１】
ところで、本実施形態によれば、半導体基板１の表面１ａ上にアルミニウム電極１１を形成し、アルミニウム電極１１の上に保護膜１２を形成し、保護膜１２に開口部１２ａを形成するとともに、開口部１２ａから臨むアルミニウム電極１１の表面をエッチングした後、このエッチングされたアルミニウム電極１１の表面上に、はんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極１３を形成してなる半導体装置において、エッチングにより形成されたアルミニウム電極１１の表面の凹部１１ａが、その開口部側よりも底部側の方が広がった形状となっていることを特徴とする半導体装置１００が提供される。
【００９２】
それによれば、アルミニウム電極１１においてエッチングにより形成された表面の凹部１１ａの形状が、底部側よりも開口部側の方が狭まった形状となる。そのため、図２（ｂ）に示されるように、当該凹部１１ａの上に形成された金属電極１３が当該凹部１１ａに入り込みにくくなり、金属電極１３の凹凸は小さくなる。
【００９３】
よって、本実施形態によれば、半導体基板１の表面１ａに形成されたアルミニウム電極１１に対してはんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極１３を形成してなる半導体装置１００において、アルミニウム電極１１上の金属電極１３の凹凸を小さくし、アルミニウム電極１１の接合性を向上させるとともに、電気的不良を低減することができる。
【００９４】
はんだ６０の拡散は、金属電極１３の粒界が大きいほど拡散速度が速いため、金属電極１３の表面の凹凸は小さい方が好ましい。本実施形態では、金属電極１３の表面の凹凸が小さいため、上記図３（ｃ）に示されるように、金属電極１３上にはんだ６０を接合させたとき、はんだ拡散層６０ａの成長が抑制され、アルミニウム電極１１の接合性が向上している。
【００９５】
また、エミッタ電極２では、上記理由により、はんだ６０との接合性が向上するが、ゲート電極３では、金属電極１３の表面の凹凸が小さくなることにより、ボンディングワイヤ７０の接合性を向上できることはあきらかである。
【００９６】
ここで、本実施形態では、上述したように、アルミニウム電極１１の凹部１１ａの底部側を、アルミニウムの粒界でない部位（つまりアルミニウムの粒内）がエッチングされることにより凹部１１ａの開口部側よりも広くしたものにすることによって、上記したようなアルミニウム電極１１における凹部１１ａの形状を適切に実現していることも、特徴点のひとつである。
【００９７】
また、アルミニウム電極１１の凹部１１ａの底部側を、アルミニウムの粒界でない部位がエッチングされたものにすることにより、当該凹部１１ａを比較的浅いものにすることができる。
【００９８】
つまり、それによれば、アルミニウム電極１１のエッチング量を少なくして、凹凸を小さくすることができ、好ましい。そして、凹部１１ａが浅いものになれば、金属電極１３と層間絶縁膜４との距離Ｗ３も大きくなり、Ｖｔ不良などの電気的な不良を抑制することができる。
【００９９】
ここで、本実施形態においては、アルミニウム電極１１の凹部１１ａの開口部は、アルミニウムの粒界がエッチングされた部分とすることができる。そして、このことも、本実施形態の特徴点のひとつである。
【０１００】
また、上述したが、本実施形態では、半導体基板１の一面１ａ上には、パターニングされた層間絶縁膜４が形成されており、アルミニウム電極１１は層間絶縁膜４を覆うように形成されており、アルミニウム電極１１の凹部１１ａの底部と層間絶縁膜４との距離Ｗ３が、０．５μｍ以上となっていることが好ましく、０．９μｍ以上となっていることがより好ましいとしている。
【０１０１】
この距離Ｗ３についての構成は、本発明者らが行った実験検討の結果に基づいて見出されたものである。ここで、限定するものではないが、その実験結果の一例を図４、図５に示す。
【０１０２】
図４は、凹部１１ａの底部と層間絶縁膜４との距離Ｗ３（単位：μｍ）とはんだ拡散不良発生率（単位：％）との関係を示す図である。また、図５は、凹部１１ａの底部と層間絶縁膜４との距離Ｗ３（単位：μｍ）とＶｔ不良発生率（単位：％）との関係を示す図である。
【０１０３】
はんだ拡散不良とは、はんだ付けのときに、その熱によりアルミニウム電極１１とはんだ６０との間で剥離が生じたものである。また、Ｖｔ不良とは、Ｖｔの特性異常が生じたものである。
【０１０４】
図４からわかるように、上記距離Ｗ３を０．５μｍ以上と厚くすれば、アルミニウム電極１１上にはんだ付けを行う際に、はんだ６０の拡散層による接合不良を高いレベルで防止することができる。
【０１０５】
また、図５からわかるように、上記距離Ｗ３を０．９μｍ以上と、よりいっそう厚くすれば、さらに、Ｖｔ不良などの電気的不良を高いレベルで防止することができる。これらの結果から、本実施形態では、上記距離Ｗ３を好ましくは０．５μｍ以上とし、より好ましくは０．９μｍ以上としている。
【０１０６】
また、本実施形態の半導体装置１００では、アルミニウム電極１１の材質として、純Ａｌ、Ａｌ−ＳｉおよびＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕのうちから選択された１種を採用することも特徴点の一つである。
【０１０７】
さらに、本実施形態の半導体装置１００においては、金属電極１３としては、アルミニウム電極１１の表面側からニッケルメッキ層１３ａ、金メッキ層１３ｂが順次無電解メッキにより形成され積層されてなる無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜にしていることも特徴の一つである。
【０１０８】
また、上述したが、本実施形態の半導体装置１００においては、金属電極１３は、鉛フリーはんだを用いてはんだ付けされたものであることも特徴の一つである、
鉛を含有しない鉛フリーはんだは、環境に優しいが、従来用いられてきた鉛入りのはんだに比べて硬いため、金属電極に加わる応力も大きくなる。また、鉛フリーはんだはＳｎ含有量が多いため、はんだ接合時に、Ｎｉ−Ｓｎ拡散層すなわち上記はんだ拡散層６０ａが形成されやすい。
【０１０９】
そのため、鉛フリーはんだを用いた場合には、従来の半導体装置ではアルミニウム電極と金属電極との剥離が生じやすい。そのような鉛フリーはんだを用いた半導体装置において、本実施形態では、接合性を適切に確保している。
【０１１０】
さらに、本実施形態の半導体装置１００においては、上記図１に示されるように、金属電極１３は、はんだ６０を介して金属製のヒートシンク２０と接合されていることも特徴点の一つである。
【０１１１】
上述したように、本発明者らの検討によれば、金属電極の上にヒートシンクをはんだ付けする場合、熱履歴により、はんだの拡散の問題が顕著になるが、そのようなヒートシンクとはんだ付けされた半導体装置に対して、本実施形態では、接合性が適切に確保されている。
【０１１２】
また、本実施形態の半導体装置１００においては、半導体基板１の厚さが２５０μｍ以下であることを特徴としている。
【０１１３】
半導体基板１が厚いと、アルミニウム電極１１上にはんだ付けを行うときに、熱応力が大きくなり、上記したはんだの拡散が促進されてしまう。本発明者らの検討によれば、そのようなはんだの拡散を適度に抑制するためには、半導体基板１の厚さは２５０μｍ以下であることが好ましい。
【０１１４】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態にかかるアルミニウム電極１１と金属電極１３との積層構成を示す概略断面図である。
【０１１５】
上記実施形態では、金属電極１３は、無電解Ｎｉ／Ａｕメッキにより形成された膜であったが、本実施形態では、金属電極１３は、物理的気相成長法（ＰＶＤ）により形成された膜であることが相違点である。なお、図６では、アルミニウム電極１１の凹部や層間絶縁膜は省略してある。
【０１１６】
本実施形態の電極構成は、上記実施形態と同様にして、エッチングによって表面に上記凹部が形成されたアルミニウム電極１１を形成した後、蒸着やスパッタ等のＰＶＤにより金属電極１３を形成することで、形成可能である。
【０１１７】
図６示す例では、金属電極１３は、たとえば厚さ０．２μｍ程度のＴｉ（チタン）層１３ｃ、厚さ０．５μｍ程度のＮｉ層１３ｄ、厚さ０．１μｍ程度のＡｕ層１３ｅが順次積層されて構成されたものとなっている。
【０１１８】
そして、本実施形態の電極構成においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られることはもちろんである。
【０１１９】
つまり、本実施形態の半導体装置においても、半導体基板１の表面１ａに形成されたアルミニウム電極１１に対してはんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極１３を形成してなる半導体装置において、アルミニウム電極１１上の金属電極１３の凹凸を小さくし、アルミニウム電極１１の接合性を向上させるとともに、電気的不良を低減することができる。
【０１２０】
なお、本発明は、上記した両面はんだ付けモールド構造の半導体装置に限定されるものではなく、半導体基板と、該半導体基板の一面上に形成されたアルミニウム電極と、該アルミニウム電極の上に形成された保護膜と、該保護膜に形成された開口部と、該開口部から臨む該アルミニウム電極の表面上に形成された、はんだ付け用もしくはワイヤボンディング用の金属電極とを備える半導体装置ならば、適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の全体構成を示す概略断面図である。
【図２】（ａ）は、図１中のエミッタ電極の近傍部の拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のアルミニウム電極と金属電極との界面近傍の拡大断面図である。
【図３】上記第１実施形態におけるエミッタ電極およびゲート電極の形成方法を説明するための工程図である。
【図４】アルミニウム電極の凹部の底部と層間絶縁膜との距離と、はんだ拡散不良発生率との関係を示す図である。
【図５】アルミニウム電極の凹部の底部と層間絶縁膜との距離と、Ｖｔ不良発生率との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかるアルミニウム電極と金属電極との積層構成を示す概略断面図である。
【図７】一般的なＮｉ／Ａｕメッキによる金属電極の形成工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１…半導体基板、１ａ…半導体基板の一面としての半導体基板の表面、
４…層間絶縁膜、１１…アルミニウム電極、１１ａ…アルミニウム電極の凹部、
１２…保護膜、１２ａ…保護膜の開口部、１３…金属電極、
１３ａ…ニッケルメッキ層、１３ｂ…金メッキ層、２０…第１のヒートシンク、
６０…はんだ、Ｗ３…アルミニウム電極の凹部の底部と層間絶縁膜との距離。
【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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