(57)【要約】【課題】半導体装置のはんだ内部においてボイドが偏って形成されることを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体素子を用意する工程と、半導体素子の電極を導体部材にはんだ付けする工程とを備える。半導体素子の電極は、Ｎｉ系金属層と、Ｎｉ系金属層を所定のパターン（例えば、格子状、水玉状、ストライプ状など）で部分的に覆うＡｕ系金属層とを有し、Ｎｉ系金属層が部分的に露出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する半導体素子を用意する工程と、
前記電極を導体部材にはんだ付けする工程と、を備え、
前記半導体素子の前記電極は、Ｎｉ系金属層と、前記Ｎｉ系金属層を所定のパターンで部分的に覆うＡｕ系金属層とを有し、前記Ｎｉ系金属層が部分的に露出する、
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体装置の製造方法が開示されている。この半導体装置の製造方法は、Ｎｉ系金属層を有する半導体素子の電極を、導体部材にはんだ付けする工程を備える。このような半導体素子の製造方法では、一般に、Ｎｉ（ニッケル）系金属層の酸化を防止したり、はんだとの濡れ性を向上したりするために、Ａｕ（金）系金属層によってＮｉ系金属層上を被覆（例えば金めっき）することが行われる。ここでいうＮｉ系金属層とは、Ｎｉを主成分として含む金属層（純ニッケル層を含む）を意味し、Ａｕ系金属層とは、Ａｕを主成分として含む金属層（純金層を含む）を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１６２６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した製造方法では、半導体素子の電極を導体部材にはんだ付けする工程において、はんだの内部にボイドが形成されることが問題となっている。これは、はんだが溶融している間に、電極や導体部材からガス（例えば、水素やアルゴン）が発生したり、空気が入り込んだりするためである。ここで、Ａｕ系金属層が形成された電極は、そのような金属層を有さない導体部材と比較して、はんだとの濡れ性が高い。そのことから、はんだの温度は、導体部材側よりも電極側において上昇しやすく、はんだの接合（即ち、金属間化合物の生成）についても、電極側において早期に進行する。その結果、溶融したはんだ内のガスは、導体部材側において凝集しやすく、導体部材側に偏ってボイドが形成されやすい。このようなボイドの偏った形成は、はんだの耐久性を大きく低下させ得る。本明細書は、ボイドの偏った形成を抑制し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体素子を用意する工程と、半導体素子の電極を導体部材にはんだ付けする工程とを備える。半導体素子の電極は、Ｎｉ系金属層と、Ｎｉ系金属層を所定のパターンで部分的に覆うＡｕ系金属層とを有し、Ｎｉ系金属層が部分的に露出する。
【０００６】
上記の製造方法では、半導体素子の電極のＮｉ系金属層を、所定のパターン（例えば、格子状、水玉状、ストライプ状など）を有するＡｕ系金属層によって部分的に覆う。このような構成によると、Ｎｉ系金属層が露出する面積の割合に応じて、電極のはんだに対する濡れ性は低下し、導体部材のはんだに対する濡れ性に近くなる。これにより、電極側と導体部材側との間で、はんだの温度が従来よりも均等に上昇し、はんだによる接合も同じような速度で進行していく。その結果、溶融したはんだ内のガスが導体部材側に凝集し難くなり、導体部材側に偏ってボイドが形成されることが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。
【図２】実施例の下面電極１８の構成を示す模式図。
【図３】半導体素子１２の下面電極１８と下側放熱板２２との間にはんだ２６を配置し、積層体５０を形成する工程を示す。
【図４】下面視したときの半導体素子１２の下面電極１８におけるＡｕ系金属層３８の実施形態を示す模式図。
【図５】積層体５０を加熱し、はんだ２６が溶融していく状態を示す。
【図６】積層体５０を加熱し、下面電極１８と下側放熱板２２との間ではんだ２６が接合される状態を示す。
【図７】減圧を解除したときの、積層体５０のはんだ２６内におけるボイドの状態を示す。
【図８】下面視したときの半導体素子１２の下面電極１８におけるＡｕ系金属層３８の変形例を示す模式図。
【図９】参考例の下面電極１１８の内部構造及び下側放熱板１２２の内部構造を示す模式図。
【図１０】半導体素子１１２の下面電極１１８と下側放熱板１２２との間にはんだ２６を配置し、積層体１５０を形成する工程を示す。
【図１１】積層体１５０を加熱し、はんだ２６が溶融していく状態を示す。
【図１２】積層体１５０を加熱し、はんだ２６が溶融していく状態を示す。
【図１３】減圧を解除したときの、積層体１５０のはんだ２６内におけるボイドＸの状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施例）図面を参照して、実施例の半導体装置１０とその製造方法について説明をする。図１に示すように、半導体装置１０は半導体素子１２、導体スペーサ２０、下側放熱板２２、上側放熱板２４、及びモールド樹脂４２を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂４２内に封止されている。モールド樹脂４２は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂４２を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料で構成することができる。
【０００９】
半導体素子１２は、半導体基板１４と上面電極１６と下面電極１８とを有する。半導体素子１２には、一例ではあるが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を採用することができる。但し、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ素子に特別に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子などの他のパワー半導体素子であってもよい。半導体基板１４は、例えばＳｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、又はＧａＮ（窒化ガリウム）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。上面電極１６は半導体基板１４の上面に位置しており、下面電極１８は半導体基板１４の下面に位置している。上面電極１６及び下面電極１８を構成する材料には、特に限定されないが、例えばニッケル系（純ニッケルを含む）又はその他の金属を採用することができる。
【００１０】
導体スペーサ２０は、例えば銅又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されることができる。導体スペーサ２０は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面２０ａと、上面２０ａとは反対側に位置する下面２０ｂとを有する。導体スペーサ２０の上面２０ａは、後述する上側放熱板２４の下面２４ｂに接合されている。これにより、導体スペーサ２０は半導体素子１２と電気的に接続されている。導体スペーサ２０の下面２０ｂは、半導体素子１２の上面電極１６に、はんだ層２８を介して接合されている。導体スペーサ２０は、必ずしも必要とされないが、信号端子（不図示）を半導体素子１２に接続する際のスペースを確保する。
【００１１】
下側放熱板２２及び上側放熱板２４は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料を用いて構成されることができる。下側放熱板２２は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２２ａとその上面２２ａの反対側に位置する下面２２ｂとを有する。下側放熱板２２の上面２２ａは、半導体素子１２の下面電極１８にはんだ層２６を介して接続されている。これにより、下側放熱板２２は半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、下側放熱板２２の下面２２ｂは、モールド樹脂４２の外部に露出している。ここで、一例ではあるが、本明細書の開示する技術において、下側放熱板２２は導体部材の一例である。また、下側放熱板２２は、半導体装置１０の製造段階において、電力用端子や信号端子等が一体となったリードフレームの形で用意されてもよい。
【００１２】
上側放熱板２４は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２４ａとその上面２４ａの反対側に位置する下面２４ｂとを有する。上側放熱板２４の下面２４ｂは、導体スペーサ２０の上面２０ａにはんだ層３０を介して接続されている。これにより、上側放熱板２４は、導体スペーサ２０と電気的に接続され、導体スペーサ２０を介して半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、上側放熱板２４の上面２４ａは、モールド樹脂４２の外部に露出している。下側放熱板２２及び上側放熱板２４は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。但し、半導体装置１０は両面冷却構造に限定されず、例えば、下側放熱板２２の下面２２ｂ、又は、上側放熱板２４の上面２４ａのいずれか一方の面が、モールド樹脂４２の外部に露出している片面冷却構造を有していてもよい。
【００１３】
図２−７を参照して、実施例の半導体装置１０の製造方法について説明する。但し、ここでは特に、半導体素子１２と下側放熱板２２とを積層する工程について説明する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができ、ここでは説明を省略する。先ず、図２に示すように、半導体素子１２と下側放熱板２２を用意する。半導体素子１２の下面電極１８は、後述するリフロー工程により、はんだ２６を用いて下側放熱板２２の上面２２ａにはんだ付けされる。ここでいうはんだ２６は、例えばシート形状のものを採用することができる。このはんだ２６は、前述したはんだ層２６を構成することから、ここでは同じ符号を付して説明する。
【００１４】
半導体素子１２の下面電極１８は、一例ではあるが、Ａｌ（アルミニウム）系金属層３２、Ｔｉ（チタン）系金属層３４、Ｎｉ系金属層３６及び、Ａｕ系金属層３８を有している。Ａｌ系金属層３２は、Ａｌを主成分として含む金属層を意味し、例えばＡｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）合金であってよい。Ｔｉ系金属層３４は、Ｔｉを主成分として含む金属層を意味し、純チタン層であってもよい。Ｎｉ系金属層３６は、Ｎｉを主成分として含む金属層であり、純ニッケル層であってもよい。Ａｕ系金属層３８は、Ａｕを主成分として含む金属層であり、純金層であってもよい。ここで、Ａｌ系金属層３２、Ｔｉ系金属層３４、Ｎｉ系金属層３６、Ａｕ系金属層３８は、例えばスパッタ法によって形成することができ、これらの厚み寸法はそれぞれ、約０．８μｍ、約０．２μｍ、約１μｍ、約０．０５μｍであってよい。また、下側放熱板２２の表面には、Ｎｉ系金属層４０が形成されていてもよい。但し、図４−図７において、便宜上、Ｎｉ系金属層４０の図示は省略する。
【００１５】
本実施例の製造方法では、図３（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、半導体素子１２の下面電極１８のＮｉ系金属層３６を、所定のパターンを有するＡｕ系金属層３８によって部分的に覆う。言い換えると、Ｎｉ系金属層３６を部分的に露出させている。一例ではあるが、本実施例では、Ｎｉ系金属層３６を格子状に露出させている。図３の（Ａ）と（Ｂ）とを比較すると、両者の間ではＮｉ系金属層３６が露出する面積の割合が異なる。図３（Ａ）から図３（Ｂ）のように、Ｎｉ系金属層３６が露出する面積の割合を大きくすると、下面電極１８のはんだ２６に対する濡れ性は低下する。本実施例の製造方法では、Ｎｉ系金属層３６を部分的に露出させ、下面電極１８のはんだ２６に対する濡れ性を意図的に低下させる。これにより、下面電極１８のはんだ２６に対する濡れ性を、下側放熱板２２のはんだ２６に対する濡れ性に近付けている。
【００１６】
次に、図４−図７に示すように、リフロー工程を実施して、半導体素子１２の下面電極１８を、下側放熱板２２の上面２２ａにはんだ付けする。先ず、図４に示すように、半導体素子１２の下面電極１８と下側放熱板２２の上面２２ａとの間に、はんだ２６を配置して、積層体５０を形成する。次いで、その積層体５０をリフロー炉に配置して、はんだ２６を加熱していく。前述したように、本実施例の製造方法では、半導体素子１２の下面電極１８のＮｉ系金属層３６を部分的に露出させることにより、下面電極１８のはんだ２６に対する濡れ性を、下側放熱板２２のはんだ２６に対する濡れ性に近付けている。これにより、図５、図６に示すように、下面電極１８側と下側放熱板２２との間で、はんだ２６の温度が従来よりも均等に上昇し、はんだ２６による接合も同じような速度で、はんだ２６の周縁部から内部に向かって進行していく。その結果、溶融したはんだ２６内に生じたガスが下側放熱板２２側に凝集し難くなり、下側放熱板２２側に偏ってボイドＸが形成されることが抑制される（図６参照）。ここで、このリフロー工程は、例えば減圧された雰囲気下で実施することができる。この場合、減圧が解除された復圧時において、図７に示すようにはんだ２６内部に形成されたボイドＸは縮小される。以上のように、下側放熱板２２側に偏って、ボイドＸが形成されることが抑制される。
【００１７】
半導体素子１２の下面電極１８のＮｉ系金属層３６を、Ａｕ系金属層３８によって部分的に被覆するパターン形状は、本実施形態の他にも様々に変更可能である。図８に、いくつかの変形例を例示する。図８（Ａ）に示すように、Ａｕ系金属層３８は、水玉状の開口を有してもよい。あるいは、Ａｕ系金属層３８は、水玉状に形成されてもよい。あるいは、図８（Ｂ）に示すように、Ａｕ系金属層３８は、ストライプ状に形成されてもよい。いずれの場合も、Ａｕ系金属層３８からＮｉ系金属層３６が露出する面積の割合を大きくすることで、下面電極１８のはんだ２６に対する濡れ性は低下し、下側放熱板２２のはんだ２６に対する濡れ性に近づけることができる。
【００１８】
（参考例）図９−１３を参照して、参考例の半導体装置の製造方法について説明する。この参考例では、上記した実施例とは異なる手法によって、はんだ２６のボイドＸに起因する問題を解決又は低減する。この参考例では、先ず、図９に示すように、半導体素子１１２と下側放熱板１２２を用意する。
【００１９】
半導体素子１１２の下面電極１１８は、実施例と同様にＡｌ系金属層３２、Ｔｉ系金属層３４、Ｎｉ系金属層３６及び、Ａｕ系金属層１３８を有している。Ａｌ系金属層３２は、Ａｌを主成分として含む金属層を意味し、例えばＡｌ−Ｓｉ合金であってよい。Ｔｉ系金属層３４は、Ｔｉを主成分として含む金属層を意味し、純チタン層であってもよい。Ｎｉ系金属層３６は、Ｎｉを主成分として含む金属層であり、純ニッケル層であってもよい。Ａｕ系金属層１３８は、Ａｕを主成分として含む金属層であり、純金層であってもよい。ここで、Ａｌ系金属層３２、Ｔｉ系金属層３４、Ｎｉ系金属層３６、Ａｕ系金属層１３８は、例えばスパッタ法によって形成することができ、これらの厚み寸法はそれぞれ、約０．８μｍ、約０．２μｍ、約１μｍ、約０．０５μｍであってよい。また、下側放熱板１２２の表面には、Ｎｉ系金属層４０が形成されていてもよい。但し、図１０−図１３において、便宜上、Ｎｉ系金属層４０の図示は省略する。
【００２０】
参考例の製造方法では、半導体素子１１２の下面電極１１８のＮｉ系金属層３６が、Ａｕ系金属層１３８によって完全に覆われていてもよい。但し、本参考例におけるＡｕ系金属層１３８は、Ａｕ系金属層１３８の周縁部から中央部に向かって連続的に厚み寸法が大きくなるように形成されている。また同様に、下側放熱板１２２の表面上においても、例えばそのＮｉ系金属層４０上に、Ａｕ系金属層１３９が設けられていてよい。このとき、下側放熱板１２２のＡｕ系金属層１３９は、下面電極１１８のＡｕ系金属層１３８と同様に、Ａｕ系金属層１３９の周縁部から中央部に向かって連続的に厚み寸法が大きくなるように形成されるとよい。これらの点において、本参考例は上述した実施例とは異なる。
【００２１】
上記の構成によると、下面電極１１８及び下側放熱板１２２に対するはんだ２６の濡れ性は、Ａｕ系金属層１３８、１３９の厚み寸法の差によって、はんだ２６の周縁部と中央部との間で濡れ性に差が生じる。詳しくは、Ａｕ系金属層１３８、１３９の厚み寸法が大きい中央部が、周縁部と比較してはんだ２６の濡れ性が高くなる。
【００２２】
次いで、図１０−図１３に示すように、リフロー工程を実施して、半導体素子１１２の下面電極１１８を、下側放熱板１２２の上面１２２ａに、はんだ付けする。先ず、図１０に示すように、半導体素子１１２の下面電極１１８と下側放熱板１２２の上面１２２ａとの間に、はんだ２６を配置し、積層体１５０を形成する。次いで、その積層体１５０をリフロー炉に配置して、はんだ２６を加熱していく。前述したように、本参考例の製造方法では、下面電極１１８及び下側放熱板１２２におけるＡｕ系金属層１３８、１３９の厚み寸法の差によって、Ａｕ系金属層１３８、１３９の厚み寸法が大きい中央部が、周縁部と比較してはんだ２６の濡れ性が高くなる。これにより、図１１、１２に示すように。はんだ２６の温度が上昇するとともに、はんだ２６による接合も進行し易くなる。したがって、Ａｕ系金属層１３８、１３９の厚み寸法が大きい中央部から、Ａｕ系金属層１３８、１３９の厚み寸法が小さい周縁部へ向けて、はんだ２６による接合が進行していく。その結果、溶融したはんだ２６内に生じたガスによるボイドＸは、はんだ２６の中央部から周縁部に向かって拡がり移動するため、はんだ２６内に形成されたボイドＸは、はんだ２６の中央部で凝集することが抑制される。ここで、このリフロー工程は、例えば減圧された雰囲気下で実施することができる。この場合、減圧が解除された復圧時において、図１３に示すようにはんだ２６内部に形成されたボイドＸは縮小される。以上のように、はんだ２６内に形成されたボイドＸが、はんだ２６の中央部で凝集することは抑制される。
【００２３】
以上、いくつか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。本明細書又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る。
【符号の説明】
【００２４】
１０：半導体装置
１２、１１２：半導体素子
１４：半導体基板
１６：上面電極
１８、１１８：下面電極
２０：導体スペーサ
２２、１２２：下側放熱板
２４：上側放熱板
２６、２８、３０：はんだ（層）
３２：Ａｌ系金属層
３４：Ｔｉ系金属層
３６、４０：Ｎｉ系金属層
３８、１３８、１３９：Ａｕ系金属層
４２：モールド樹脂
５０、１５０：積層体
Ｘ：ボイド
【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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