(57)【要約】  半導体チップ（１）と回路パターン（４）とがワイヤ（７）によって電気的に接続されたモジュール構造の半導体装置であって、半導体チップ（１）のおもて面電極の表面にはおもて面金属膜が形成され、このおもて面金属膜にワイヤボンディングによってワイヤ（７）が接合されている。半導体チップ（１）は、Ｓｉ基板またはＳｉＣ基板のおもて面におもて面電極を有し、裏面に裏面電極を有する。おもて面金属膜は、例えば３μｍ以上７μｍ以下の厚さのＮｉ膜またはＮｉ合金である。ワイヤ（７）は、ワイヤボンディング前の結晶粒径を例えば１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内に制御することにより再結晶温度を高め、かつ強度を向上させたＡｌワイヤである。これにより、大電流導通および高温動作を実現した信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
2014181688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の表面に設けられた導電部と、
前記導電部の表面に設けられた、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜と、
超音波振動を用いたワイヤボンディングによって前記金属膜に接合された、５００μｍ以上の線径を有するワイヤと、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、
シリコン基板および炭化珪素基板から選ばれる半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた、アルミニウムを主成分とする前記導電部と、
を備え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】
前記金属膜は、ニッケルを主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属膜は、ニッケルを主成分とし、リンおよびボロンの少なくとも一方を含有するニッケル合金膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
汎用インバータや風力発電、太陽光発電、電気鉄道などに使用されるモジュール構造の半導体装置において、従来より、アルミニウム（Ａｌ）ワイヤなどのワイヤボンディングによって、半導体素子のおもて面電極と回路パターンとを電気的に接続（ボンディング）した構成のモジュール構造の半導体装置が公知である。このモジュール構造の半導体装置のおもて面電極は例えばＡｌ電極や銅（Ｃｕ）電極であり、回路パターンは例えばＣｕなどの導体からなる。【０００３】
また、Ａｌ電極の表面上にニッケル（Ｎｉ）めっき膜、Ｎｉめっき膜と金（Ａｕ）めっき膜との積層膜、またはＮｉめっき膜とパラジウム（Ｐｄ）めっき膜とＡｕめっき膜との積層膜を形成し、このめっき膜にＡｌワイヤをワイヤボンディングした構成、またはＡｌワイヤのワイヤボンディングに代えてリードフレームをめっき膜にはんだ付けした構成のモジュール構造の半導体装置も提案されている。従来のモジュール構造の半導体装置の構造について説明する。【０００４】
図１４は、従来のモジュール構造の半導体装置の構造を示す断面図である。図１５は、図１４の半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。図１４，１５に示すように、従来のモジュール構造の半導体装置は、半導体チップ（半導体素子）１０１、絶縁基板１０２、Ｃｕベース１０６、およびＡｌワイヤ１０７を備えている。絶縁基板１０２は、絶縁層１０３のおもて面側にＣｕからなる回路パターン１０４が設けられ、裏面側に裏銅箔１０５が設けられている。【０００５】
半導体チップ１０１は、半導体基板１１１のおもて面にＡｌまたはＣｕからなるおもて面電極１１２を有し、裏面に裏面電極１１３を有する。半導体チップ１０１の裏面電極１１３は、はんだ接合層１０１ａを介して回路パターン１０４と接合している。半導体チップ１０１のおもて面電極１１２は、Ａｌワイヤ１０７などのワイヤボンディングによって回路パターン１０４と電気的に接続されている。【０００６】
Ａｌワイヤ１０７は、超音波振動を利用して接合されており、Ａｌワイヤ１０７の線径（直径）に対して熱や、超音波振動、加圧力などの条件を最適化することで、接続不良を生じさせることなく良好な接合が形成される。従来のＡｌワイヤ１０７の線径は、３００μｍ〜４００μｍ程度である。おもて面電極１１２とＡｌワイヤ１０７との接合条件は、おもて面電極１１２に使用する金属種やおもて面電極１１２の厚さによって変化する。Ｃｕベース１０６のおもて面は、はんだ接合層（不図示）を介して裏銅箔１０５と接合している。【０００７】
このようなモジュール構造の半導体装置として、Ａｌワイヤボンディングを行う対象としての電極であり、真鍮板やＣｕ板からなる電極母材に施したＮｉめっき膜の表面光沢度が１．６以上またはＮｉめっき膜の表面粗度が０．２μｍ以下であり、Ｎｉめっき膜の厚さが２μｍ以上である装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。下記特許文献１では、Ｎｉめっき膜の特性のうち表面光沢度、表面粗度およびめっき厚さがＡｌワイヤボンディングの強度に大きな影響を及ぼすことが開示されている。【０００８】
また、別の装置として、Ａｌ電極膜の表面に成膜された金属保護膜と、Ａｌ電極膜と熱圧着または超音波振動によって金属保護膜を介して電気的に接合されたＡｌワイヤと、を備え、金属保護膜は無電解めっき法によって５μｍ以下の厚さのＮｉめっき膜であり、Ｎｉめっき膜の厚さはＡｌ電極膜の厚さ以下である装置が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。下記特許文献２では、Ａｌ電極膜の表面にＮｉめっき膜が形成されていることにより、Ａｌ電極膜とＡｌワイヤとのはんだ接合が可能となることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−８７７７２号公報
【特許文献２】特開２００９−７６７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、近年、使用用途の拡大により、大電流化や高温動作化、高信頼性の要求が高まっており、次の問題が生じている。例えば、Ａｌワイヤの太線化（例えば５００μｍ程度）や、Ａｌワイヤよりも導電率の高いＣｕワイヤの適用により大電流化を図ることができるが、ワイヤの強度が高くなるため、おもて面電極の表面へのワイヤボンディング時に半導体チップに応力がかかり、半導体チップが破壊に至るという問題がある。【００１１】
このような問題は、おもて面電極の表面にＮｉ膜を形成して電極部の強度を向上させることで解消される。しかしながら、Ｎｉ膜とワイヤとの接合は異種金属同士の接合となるため、従来の同種金属同士（Ａｌ電極とＡｌワイヤや、Ｃｕ電極とＣｕワイヤ）を接合するためのワイヤボンディング条件では、Ｎｉ膜とワイヤとの接合界面において接合不良（未接合部）が生じやすく、Ｎｉ膜とワイヤとが良好に接合されないという問題がある。【００１２】
Ｎｉ膜とワイヤとの接合界面において接合不良が生じやすい理由は、Ｎｉ膜の材料であるＮｉと、ワイヤの材料であるＡｌやＣｕとが異なる材料特性を有するからである。ＮｉはＡｌやＣｕよりも硬く伸びにくいため、Ｎｉ膜にかかった応力は分散されにくく、ワイヤボンディング時にＮｉ膜にクラックが生じやすい。したがって、ワイヤの線径（直径）や、Ｎｉ膜の厚さ、Ｎｉ膜とワイヤとの接合条件が重要となるが、これらの詳細な検討結果について開示されていない。【００１３】
また、従来のＡｌワイヤでは、ワイヤボンディングによっておもて面電極との接合界面付近の結晶組織がワイヤボンディング前よりも微細化し、Ａｌワイヤの接合界面付近の強度が向上する。しかし、Ａｌワイヤの接合界面付近の結晶組織は、ワイヤボンディング後の製造工程による熱履歴や、半導体素子の通電発熱による高温（例えば１７５℃程度）動作によって粗大化して軟化する。これにより、Ａｌワイヤの内部にクラック（割れ）が進展しやすくなる。【００１４】
発明者らがおもて面電極表面にＡｌワイヤをワイヤボンディングした半導体装置に対してパワーサイクル試験を行った結果、パワーサイクルの繰り返しサイクル数の増加に伴ってＡｌワイヤの内部にクラックが進展し、最終的にＡｌワイヤが破断して剥離し素子破壊に至ることが判明した。したがって、動作中における発熱および放熱の繰り返し（パワーサイクル）の熱負荷に対する耐量（以下、パワーサイクル耐量（寿命）とする）を向上させることによって、大電流導通や高温動作を実現した信頼性の高い半導体装置の開発が望まれる。【００１５】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、大電流導通および高温動作を実現した信頼性の高い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】
【００１６】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体素子の表面に、導電部が設けられている。前記導電部の表面に、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜が設けられている。超音波振動を用いたワイヤボンディングによって前記金属膜に、５００μｍ以上の線径を有するワイヤが接合されている。【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体素子は、シリコン基板および炭化珪素基板から選ばれる半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた、アルミニウムを主成分とする前記導電部と、を備えることを特徴とする。【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属膜は、ニッケルを主成分とすることを特徴とする。【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属膜は、ニッケルを主成分とし、リンおよびボロンの少なくとも一方を含有するニッケル合金膜であることを特徴とする。【００２０】
上述した発明によれば、おもて面電極の表面に形成したおもて面金属膜に超音波振動を用いたワイヤボンディングによってワイヤを接合することにより、おもて面金属膜とワイヤとの接合強度および接合率を高くすることができる。これにより、おもて面金属膜とワイヤとの良好な接合状態を確保することができ、ワイヤが剥離することを防止することができる。したがって、ワイヤを線径５００μｍ以上に太線化してワイヤの導電性を高めたとしても、半導体装置の寿命を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる半導体装置によれば、大電流化および高温動作化を図ることができ、かつ信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。
【図４】図４は、ニッケルめっき膜の厚さとめっき処理時間との関係を示す特性図である。
【図５】図５は、実施例１にかかる半導体装置のワイヤボンディング後の半導体チップ特性を示す図表である。
【図６】図６は、比較例１の半導体装置のワイヤボンディング後の半導体チップ特性を示す図表である。
【図７】図７は、実施例２にかかる半導体装置のおもて面金属膜とワイヤとの接合強度を示す特性図である。
【図８】図８は、実施例２にかかる半導体装置のおもて面金属膜とワイヤとの接合率を示す特性図である。
【図９】図９は、実施例２にかかる半導体装置のせん断強度測定後の状態を模式的に示す平面図である。
【図１０】図１０は、おもて面金属膜とワイヤとの接合率の算出方法を示す説明図である。
【図１１】図１１は、実施例２にかかる半導体装置の接合後の状態を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、実施例１にかかる半導体装置のパワーサイクル耐量を示す特性図である。
【図１３】図１３は、実施例１にかかる半導体装置のパワーサイクル耐量を示す特性図である。
【図１４】図１４は、従来のモジュール構造の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１５】図１５は、図１４の半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
（実施の形態）
実施の形態にかかる半導体装置の構造について説明する。図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図２は、図１の半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。図１，２に示すように、実施の形態にかかる半導体装置は、半導体チップ（半導体素子）１と、セラミクス絶縁基板（ＤＣＢ基板）などの絶縁基板２と、銅（Ｃｕ）ベース６と、ワイヤ７とを備えたモジュール構造の半導体装置である。絶縁基板２は、絶縁層３のおもて面側に例えばＣｕなどからなる回路パターン４が設けられ、裏面側に裏銅箔５が設けられている。
【００２５】
半導体チップ１は、半導体基板（例えばシリコン（Ｓｉ）基板または炭化珪素（ＳｉＣ）基板）１１のおもて面におもて面電極（導電部）１２を有し、裏面に裏面電極１３を有する。半導体チップ１の裏面電極１３は、はんだ接合層８を介して回路パターン４と接合している。Ｃｕベース６のおもて面は、はんだ接合層（不図示）を介して裏銅箔５と接合している。図示はしないが、半導体装置は、Ｃｕベース６の裏面がサーマルコンパウンドを介して冷却体と接合され、使用される。また、Ｃｕベース６の周縁には、外部端子の設けられた樹脂ケースが接着されている。
【００２６】
半導体チップ１のおもて面電極（以下、単におもて面電極とする）１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主成分とするＡｌ電極またはＡｌ合金電極である。おもて面電極１２の表面には、例えば無電解めっき処理、電解めっき処理、スパッタリングおよび蒸着などによって、おもて面金属膜１４が形成されている。おもて面金属膜１４は、例えばニッケル（Ｎｉ）膜や、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金膜（例えば少なくともリン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）のいずれか一方を含むＮｉ合金膜）、Ｃｕ膜であり、おもて面電極１２よりも硬度が高い。おもて面金属膜１４の硬度は、例えばＨｖ４００〜Ｈｖ９００であり、おもて面電極１２やワイヤ７の硬度よりも高い。おもて面金属膜１４として例えば無電解Ｎｉめっき処理により形成したＮｉめっき膜を形成した場合、おもて面金属膜１４の光沢度は例えば１．４程度である。
【００２７】
おもて面金属膜１４の厚さは、例えば３．０μｍ以上であるのがよく、好ましくは例えば４．５μｍ以上であるのがよい。その理由は、次のとおりである。おもて面金属膜１４の厚さを例えば３．０μｍ以上とすることにより、次の効果を奏する。おもて面電極１２の強度を向上させることができるため、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする、線径４５０μｍ〜５５０μｍ、典型的には約５００μｍ以上のワイヤ７を用いる場合でもワイヤボンディング時に半導体チップ１にかかる応力が緩和され、半導体チップ１が破壊に至る頻度を低減させることができる。また、金属種の異なるおもて面金属膜１４とワイヤ７との接合強度および接合率を向上させることができ、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合界面において接合不良（未接合部）が生じることを防止し、おもて面金属膜１４とワイヤ７とを良好に接合することができる。
【００２８】
さらに、おもて面金属膜１４の厚さを例えば４．５μｍ以上とすることにより、半導体チップ１が破壊に至る頻度、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合強度および接合率を、同種金属同士（例えばＡｌ電極とＡｌワイヤ）の接合と同程度に低減させることができる。このため、おもて面金属膜１４とワイヤ７とをさらに良好に接合することができる。おもて面金属膜１４の厚さを例えば５．０μｍ程度とすることにより、半導体チップ１が破壊に至ることなく（半導体チップ１が破壊に至る頻度＝０％）、かつ、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合界面において未接合部を生じなくすることができる（接合率≒１００％）。このようにおもて面金属膜１４の厚さは３．０μｍ以上、７．０μｍ以下、好ましくは４．５μｍ以上、７．０μｍ以下の範囲がよい。おもて面金属膜１４の厚さは、厚くするほど半導体チップ１が破壊に至る頻度を低くすることができるが、厚くしすぎると半導体チップ１が反るし、スループットや経済性などを考慮しておもて面電極１２の厚さ以下とするのがよい。おもて面電極１２の厚さは３．０μｍ以上、１０．０μｍ以下であるのが好ましい。
【００２９】
半導体チップ１が破壊に至る頻度とは、製造ラインにおいて製造された半導体チップの総数Ｎ０に対する、破壊に至った半導体チップ（不良品）の個数Ｎ１の割合である（＝Ｎ１／Ｎ０）。おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率とは、おもて面金属膜１４とワイヤ７とが対向する部分の面積Ｓ０に対する、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合面積Ｓ１の割合である（＝Ｓ１／Ｓ０）。すなわち、接合率＝１００％とは、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合界面において接合不良が生じていない状態である（未接合部なし）。おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率についての詳細な説明は後述する。
【００３０】
おもて面金属膜１４には、例えば熱、超音波振動および圧力（接合荷重）を利用したワイヤボンディングによって、ワイヤ７の一端が接合されている。ワイヤ７の他端は、ワイヤボンディングによって回路パターン４に接合されている。すなわち、ワイヤ７を介しておもて面電極１２と回路パターン４とが電気的に接続されている。ワイヤ７のワイヤボンディング条件については後述する。ワイヤ７は、Ａｌを主成分とし、線径（直径）を例えば５００μｍ以上に太線化することで導電性を高めたＡｌワイヤであるのがよい。ワイヤ７の太線化によって大電流導通を実現することができ、かつ通電時のワイヤ７の発熱温度を低減することができることにより高温動作を実現することができる。具体的には、ワイヤ７は、例えば鉄（Ｆｅ）を所定量含有させることで強度を高めたアルミニウム合金ワイヤであってもよい。アルミニウム合金ワイヤとは、例えばＦｅを０．２質量％〜２．０質量％の範囲で含み、残部が純度９９．９９％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなるワイヤである。なお、ワイヤ７の線径は、６００μｍを超えるとワイヤボンディングの出力を上げ、おもて面金属膜１４を厚くする必要があるので、４５０μｍ〜５５０μｍの範囲が好ましい。
【００３１】
また、ワイヤ７は、ワイヤボンディング前の結晶粒径を例えば１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内に制御することにより再結晶温度を高め、かつ強度を向上させた高強度ワイヤであるのがよい。ワイヤ７の結晶粒径を制御することにより、ワイヤ７の再結晶温度を例えば１７５℃以上に高めることができる。ワイヤ７の被接合部材（おもて面金属膜１４および回路パターン４）との接合界面付近の結晶粒は、ワイヤボンディングによってワイヤボンディング前よりも微細粒状となり、その結晶粒径は例えば１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内である。ワイヤ７の被接合部材との接合界面から離れた部分（ワイヤ７の接合界面付近以外）においてはワイヤボンディング前の結晶粒径が維持される。ワイヤボンディング直後のワイヤ７の接合界面付近における結晶粒径を上記範囲内とすることにより、ワイヤ７の被接合部材との接合界面付近における接合強度を向上させることができる。ワイヤ７の接合界面付近とは、例えばワイヤボンディング後の製造工程による熱履歴や、半導体素子の通電発熱による高温動作の熱によってクラックが生じやすい部分である。
【００３２】
次に、おもて面金属膜１４の成膜（形成）方法について、無電解Ｎｉめっき処理によって、おもて面電極１２であるＡｌ電極の表面におもて面金属膜１４としてＮｉめっき膜を成膜する場合を例に説明する。図３は、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図４は、ニッケルめっき膜の厚さとめっき処理時間との関係を示す特性図である。Ａｌ電極とＮｉ膜とは密着性が悪いため、一般的に、無電解めっき処理の前処理としてジンケート処理を行い、Ｎｉめっき膜のＡｌ電極に対する密着性を向上させる。具体的には、まず、おもて面電極１２の表面に脱脂処理を行い、表面に付着している油脂性の汚れや異物を除去して清浄にする（ステップＳ１）。ステップＳ１においては、次に続く工程の例えばエッチング液などの、おもて面電極１２の表面に対する濡れ性が改善される。次に、酸溶液を用いてエッチング処理を行う（ステップＳ２）。これにより、おもて面電極１２の表面の自然酸化膜が除去される。
【００３３】
次に、硝酸（ＨＮＯ3）溶液を用いて酸洗浄（デスマット処理）を行い、エッチング処理によって生じた付着物（スマット）を除去する。次に、第１ジンケート処理を行い、おもて面電極１２の表面のＡｌを亜鉛（Ｚｎ）に置換し、おもて面電極１２の表面に所望の結晶粒径を有するＺｎ膜を生成する（ステップＳ３）。次に、硝酸溶液を用いて、おもて面電極１２の表面に形成されたＺｎ膜を除去する（ステップＳ４）。次に、第２ジンケート処理を行うことで、再度おもて面電極１２の表面にＺｎ膜を生成する（ステップＳ５）。その後、無電解Ｎｉめっき処理を行い、Ｚｎ膜をＮｉに置換し、おもて面電極１２の表面にＮｉを継続的に析出させることによりＮｉめっき膜を形成する（ステップＳ６）。これにより、おもて面電極１２の表面におもて面金属膜１４としてＮｉめっき膜が形成される。図４に示すように、Ｎｉめっき膜の厚さはめっき処理時間に比例して厚くなることが発明者らによって確認されている。
【００３４】
次に、ワイヤ７のワイヤボンディング条件について説明する。図５は、実施例１にかかる半導体装置のワイヤボンディング後の半導体チップ特性を示す図表である。図６は、比較例１の半導体装置のワイヤボンディング後の半導体チップ特性を示す図表である。実施の形態にかかる半導体装置（以下、実施例１とする）を異なるワイヤボンディング条件によって複数作製し、半導体チップ１が破壊に至っているか否かを確認した結果を図５に示す。比較として、実施例１と同様のワイヤボンディング条件によりワイヤ７をおもて面電極１２に接合した半導体装置（以下、比較例１とする）を複数作製し、半導体チップ１が破壊に至っているか否かを確認した結果を図６に示す。
【００３５】
実施例１および比較例１ともに、ワイヤボンディング時の接合荷重を１３００ｃＮ、１４００ｃＮおよび１５００ｃＮとし、当該接合荷重ごとにワイヤボンディングの超音波出力を１８Ｖ、２０Ｖおよび２２Ｖとした３つの試料を作製することにより、ワイヤボンディング条件の異なる計９つの試料を作製している。被接合部材とは、実施例１においてはおもて面金属膜１４であり、比較例１においてはおもて面電極１２である。図５，６には、試料ごとに、半導体装置が正常である場合を○印で示し、半導体チップが破壊に至った場合を×印で示す。正常とは、半導体装置が製品としての所定の動作基準を満たしていることである。半導体チップが破壊に至った場合とは、ゲート−エミッタ間において漏れ電流Ｉｇｅｓが生じ、半導体装置が製品としての所定の動作基準を満たしていない場合である。
【００３６】
実施例１の各試料に共通する構成は、次のとおりである。直径６インチのＳｉウエハのおもて面に例えばスパッタリングによりおもて面電極１２として厚さ５．０μｍのＡｌ電極を形成し、このＳｉウエハをチップサイズが１０ｍｍ×１０ｍｍとなるようにダイシングしたものを実施例１の半導体チップ１とした。半導体チップ１のおもて面電極１２の表面には、上述したおもて面金属膜１４の成膜方法に従い、無電解Ｎｉめっき処理によりおもて面金属膜１４として厚さ５．０μｍのＮｉめっき膜を形成した。そして、試料ごとに異なる上記ワイヤボンディング条件で、おもて面金属膜１４に線径５００μｍのワイヤ７をワイヤボンディングした。ワイヤ７として、ワイヤボンディング前の結晶粒径を１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内で制御して強度を向上させ、かつＦｅ（鉄）を添加することで強度を高めたアルミニウム合金ワイヤを用いた。比較例１の構成は、おもて面電極１２の表面にＮｉめっき膜を形成していない点を除いて実施例１と同様である。すなわち、比較例１では、ワイヤ７とおもて面電極１２との接合が同種金属同士の接合となっている。
【００３７】
図６に示すように、比較例１では、１５００ｃＮ以下の低い接合荷重、かつ１８Ｖと低い超音波出力によるワイヤボンディングを行った試料において、ワイヤ７とおもて面電極１２との接合不良が発生し正常に動作しなかった。接合荷重および超音波出力が低いことにより、ワイヤ７とおもて面電極１２との接合界面の全域で接合不良が生じている可能性があると推測される。それに対して、図５に示すように、実施例１においては、すべての試料ともに正常に動作することが確認された（不良発生なし）。これにより、おもて面金属膜１４を形成し、以下に説明するようにおもて面金属膜１４の厚さを厚くすることによって、ワイヤボンディング時に半導体チップ１にかかる応力が緩和され、半導体チップ１が破壊に至らないことがわかった。また、実施例１は、比較例１よりも低い超音波出力および接合荷重によるワイヤボンディングによって作製可能であることが確認された。
【００３８】
次に、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合強度および接合率について説明する。図７は、実施例２にかかる半導体装置のおもて面金属膜とワイヤとの接合強度を示す特性図である。図８は、実施例２にかかる半導体装置のおもて面金属膜とワイヤとの接合率を示す特性図である。実施の形態にかかる半導体装置（以下、実施例２とする）をおもて面金属膜１４の厚さを種々変更して複数作製し、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部におけるせん断強度（シェア強度）を測定した結果を図７に示す。また、せん断強度測定後の実施例２について、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率を算出した結果を図８に示す。
【００３９】
実施例２の各試料のおもて面金属膜１４の厚さは、それぞれ０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、３．０μｍおよび５．０μｍである。実施例２では、ワイヤボンディング時の接合荷重および超音波出力をそれぞれ１４００ｃＮおよび２０Ｖとした。実施例２のおもて面金属膜１４の厚さ以外の構成は、同一のワイヤボンディング条件で作製された実施例１と同様である。すなわち、おもて面金属膜１４の厚さを５．０μｍとした試料は、ワイヤボンディング時の接合荷重および超音波出力をそれぞれ１４００ｃＮおよび２０Ｖとした実施例１である。図７，８には、おもて面金属膜１４を設けていない比較例１を、おもて面金属膜１４の厚さを０．０μｍとした試料として示す。図８には、棒グラフの上方に詳細な接合率を数値で示す。
【００４０】
図７，８に示す結果より、比較例１では、おもて面電極１２とワイヤ７との接合率は１００％であったが、半導体チップ１が破壊に至る頻度が高く、多くの半導体チップ１が破壊に至ることが確認された。また、おもて面金属膜１４の厚さが０．０μｍより大きく３．０μｍ未満の場合、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合強度および接合率は、おもて面電極１２にワイヤ７を直接接合した比較例１よりも低いことが確認された。さらに、おもて面金属膜１４の厚さが０．０μｍより大きく３．０μｍ未満の場合、半導体チップ１が破壊に至る頻度が高く、多くの半導体チップ１が破壊に至ることが確認された。
【００４１】
それに対して、おもて面金属膜１４の厚さが３．０μｍ以上である場合、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合強度および接合率を、比較例１と同程度とすることができることが確認された。具体的には、おもて面金属膜１４の厚さを５．０μｍとした試料（実施例１）において、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部におけるせん断強度は３７６１ｋｇｆであり、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率は１００％であった。したがって、図７，８に示す結果より、おもて面金属膜１４の厚さを３．０μｍ以上とすることにより、金属種の異なるおもて面金属膜１４とワイヤ７とを同種金属同士の接合と同程度に良好に接合することができることが確認された。
【００４２】
次に、せん断強度測定後の実施例２のおもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部の状態を上方（ワイヤ７側）から観察した結果を図９に示す。図９は、実施例２にかかる半導体装置のせん断強度測定後の状態を模式的に示す平面図である。図９（ａ）には、比較例１（Ｎｉめっき膜なし）のおもて面電極（Ａｌ電極）１２ａとワイヤ（高強度ワイヤ）７ａとの接合部２１ａの状態を示す。図９（ｂ）には、おもて面金属膜（Ｎｉめっき膜）１４ｂの厚さを０．３μｍとした実施例２のおもて面金属膜１４ｂとワイヤ７ｂとの接合部２１ｂの状態を示す。図９（ｃ）には、おもて面金属膜１４ｃの厚さを５．０μｍとした実施例２のおもて面金属膜１４ｃとワイヤ７ｃとの接合部２１ｃの状態を示す。
【００４３】
図９（ｂ）に示すように、おもて面金属膜１４ｂの厚さが０．３μｍである場合、おもて面金属膜１４ｂとワイヤ７ｂとの接合部２１ｂに接合不良（未接合部）２２ｂが生じることが確認された。このとき、おもて面金属膜１４ｂとワイヤ７ｂとの接合率は８６％であった。このように、おもて面金属膜１４の厚さが０．０μｍより大きく３．０μｍ未満である場合、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部に接合不良が生じる。このため、上述した図８に示すように、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率は、比較例１のおもて面電極１２ａとワイヤ７ａとの接合率よりも低くなる。
【００４４】
それに対して、図９（ｃ）に示すように、おもて面金属膜１４ｃの厚さが５．０μｍである場合、おもて面電極１２ａとワイヤ７ａとを直接接合した比較例１（図９（ａ））と同様に、おもて面金属膜１４ｃとワイヤ７ｃとの接合部２１ｃに接合不良は生じず、良好に接合されていた（おもて面金属膜１４ｃとワイヤ７ｃとの接合率＝１００％となる）。このように、おもて面金属膜１４の厚さが３．０μｍ以上の場合、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部に接合不良は生じにくい。このため、上述した図８に示すように、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率は、比較例１のおもて面電極１２ａとワイヤ７ａとの接合率と同程度となる。
【００４５】
次に、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率の算出方法について説明する。図１０は、おもて面金属膜とワイヤとの接合率の算出方法を示す説明図である。図１０に示すように、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部３１の平面形状（すなわち、ワイヤ７の端部平面形状）を、例えば長径Ｌおよび短径Ｄの楕円状とする。また、接合部３１内においておもて面金属膜１４とワイヤ７とが接合されていない部分（未接合部）３２の平面形状を、例えば長径ｌおよび短径ｄの楕円状とする。このとき、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率は、下記（１）式であらわされる。すなわち、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合率とは、未接合部３２がないときの接合部３１の面積に対する、おもて面金属膜１４とワイヤ７とが接合（接触）している部分（ハッチング部分）の面積比である。
【００４６】
【数１】
2014181688.tif 000003
【００４７】
次に、実施例２のおもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部の断面の状態を観察した結果を図１１に示す。図１１は、実施例２にかかる半導体装置の接合後の状態を模式的に示す断面図である。図１１（ａ）には、図９（ａ）のおもて面電極１２ａとワイヤ７ａとの接合部２１ａの切断面を示す（比較例１）。図１１（ｂ）には、図９（ｂ）のおもて面金属膜１４ｂとワイヤ７ｂとの接合部２１ｂの切断面を示す（おもて面金属膜１４の厚さを０．３μｍとした実施例２）。図１１（ｃ）には、図９（ｃ）のおもて面金属膜１４ｃとワイヤ７ｃとの接合部２１ｃの切断面を示す（おもて面金属膜１４の厚さを５．０μｍとした実施例２）。図１１（ａ）〜１１（ｃ）において、下段には上段の断面図を拡大して示す。なお、符号１ａ〜１ｃは半導体チップであり、符号１２ａ〜１２ｃはおもて面電極である。
【００４８】
図１１（ｂ）に示すように、おもて面金属膜１４ｂの厚さが０．３μｍである場合、接合後におもて面金属膜１４ｂにクラックが生じ、このクラックが生じた部分においておもて面金属膜１４ｂとワイヤ７ｂとの接合部２１ｂに接合不良２２ｂが生じることが確認された。おもて面金属膜１４ｂのクラックが生じた部分において、おもて面電極１２ｂとワイヤ７ｂとが対向しており、おもて面金属膜１４ｂとワイヤ７ｂとは接合（接触）していない（おもて面電極１２ｂとワイヤ７ｂとの界面は不図示）。このように、おもて面金属膜１４の厚さが０．０μｍより大きく３．０μｍ未満の場合、おもて面金属膜１４にクラックが入り、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部に接合不良が生じることが確認された。
【００４９】
それに対して、図１１（ｃ）に示すように、おもて面金属膜１４ｃの厚さが５．０μｍである場合、おもて面金属膜１４ｃにクラックは生じなかった。そして、比較例１のおもて面電極１２ａとワイヤ７ａとの接合部２１ａ（図１１（ａ））と同様に、おもて面金属膜１４ｃとワイヤ７ｃとの接合部２１ｃに接合不良は生じなかった。このように、おもて面金属膜１４の厚さを３．０μｍ以上とすることにより、おもて面金属膜１４にクラックが生じることを防止することができるため、おもて面金属膜１４とワイヤ７との接合部にクラックを起因とする接合不良を生じることを防止することができることが確認された。
【００５０】
次に、ワイヤ７の線径について説明する。図１２，１３は、実施例１にかかる半導体装置のパワーサイクル耐量を示す特性図である。上述したワイヤボンディング時の接合荷重および超音波出力をそれぞれ１４００ｃＮおよび２０Ｖとした実施例１に対してパワーサイクル試験を行った結果を図１２，１３に示す。図１２には、単位ワイヤあたりの電流密度を１６．７Ａとした場合の実施例１のパワーサイクル耐量を示す。図１３には、単位ワイヤあたりの電流密度を２５．０Ａとした場合の実施例１のパワーサイクル耐量を示す。パワーサイクル試験において電流が断続的に流れることで生じる半導体素子の接合温度の温度変化ΔＴｊを７５℃としている。
【００５１】
また、図１２，１３には、比較として、一般的なＡｌワイヤをワイヤボンディングした半導体装置（以下、比較例２，３とする）のパワーサイクル耐量を示す。比較例２は、おもて面金属膜１４に実施例１と同様のワイヤボンディング条件で線径４００μｍの一般的なＡｌワイヤをワイヤボンディングした半導体装置である。比較例３は、おもて面金属膜１４に実施例１と同様のワイヤボンディング条件で線径５００μｍの一般的なＡｌワイヤをワイヤボンディングした半導体装置である。比較例２，３の構成は、Ａｌワイヤを用いている点を除いて実施例１と同様である。
【００５２】
図１２，１３に示す結果より、単位ワイヤあたりの電流密度が１６．７Ａである場合、比較例２のパワーサイクル耐量と比較例３のパワーサイクル耐量とはほぼ等しく、ワイヤ７の線径によるパワーサイクル耐量への影響は小さいことが確認された。それに対して、単位ワイヤあたりの電流密度を大きくした場合（電流密度＝２５．０Ａ）、比較例２のパワーサイクル耐量と比較例３のパワーサイクル耐量との差が大きくなり、ワイヤ７の線径によるパワーサイクル耐量への影響が大きくなることが確認された。しかしながら、比較例３は、比較例２よりもワイヤボンディング時の接合荷重および超音波出力を大きくする必要があり、ワイヤボンディング時の接合荷重および超音波出力を大きくすることにより半導体チップ１が破壊に至ることが確認された（不図示）。
【００５３】
それに対して、実施例１においては、一般的なＡｌワイヤを用いた比較例３よりも大きく寿命を向上することができることが確認された。具体的には、単位ワイヤあたりの電流密度が１６．７Ａである場合、実施例１、比較例２および比較例３のパワーサイクル耐量は、それぞれ６００ｋｃｙｃｌｅ、２４７ｋｃｙｃｌｅおよび２９７ｋｃｙｃｌｅであった。単位ワイヤあたりの電流密度が２５．０Ａである場合、実施例１、比較例２および比較例３のパワーサイクル耐量は、それぞれ５７０ｋｃｙｃｌｅ、１３７ｋｃｙｃｌｅおよび２８１ｋｃｙｃｌｅであった。したがって、本発明にかかる半導体装置は、大電流導通および高温動作を可能とし、かつ高寿命を向上させることができることが確認された。
【００５４】
以上、説明したように、実施の形態によれば、Ａｌを主成分とするおもて面電極の表面に形成したＮｉを主成分とする例えば３．０μｍ以上の厚さのおもて面金属膜に、超音波振動を用いたワイヤボンディングによってＡｌを主成分とするワイヤを接合することにより、おもて面金属膜とワイヤとの接合強度および接合率を同種金属同士の接合と同程度に高くすることができる。これにより、金属種の異なるおもて面金属膜とワイヤとの良好な接合状態を確保することができるため、ワイヤが剥離することを防止することができ、半導体装置の寿命を向上させることができる。また、実施の形態によれば、ワイヤの結晶粒径を例えば１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内に制御することにより、ワイヤの強度を向上させることができ、かつワイヤの再結晶温度を上昇させることができる。これにより、パワーサイクル等の熱負荷によってワイヤにクラックが生じたり、ワイヤが破断して剥離することを防止することができるため、半導体装置の寿命を向上させることができる。したがって、実施の形態によれば、線径５００μｍ以上の導電性を高めたワイヤを用いることにより、大電流導通および高温動作を実現した信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００５５】
以上において本発明は種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法等は要求される仕様等に応じて種々設定される。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、汎用インバータや風力発電、太陽光発電、電気鉄道などに使用されるモジュール構造の半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１  半導体チップ
２  絶縁基板
３  絶縁層
４  回路パターン
５  裏銅箔
６  Ｃｕベース
７  ワイヤ
８  はんだ接合層
１１  半導体基板
１２  おもて面電極
１３  裏面電極
１４  おもて面金属膜
【図１】
2014181688.tif 000004
【図２】
2014181688.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014181688.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014181688.tif 000013
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年9月26日(2016.9.26)
【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】
半導体素子の表面に設けられた導電部と、
前記導電部の表面に設けられた、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜と、
前記金属膜に接合された、５００μｍ以上の線径を有するワイヤと、
を備え、
前記ワイヤのうちの前記ワイヤと前記金属膜との接合界面側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であり、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径よりも小さく、
前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子の表面に設けられた導電部と、
前記導電部の表面に設けられた、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜と、
前記金属膜に接合された、４５０μｍ以上の線径を有するワイヤと、
を備え、
前記ワイヤのうちの前記ワイヤと前記金属膜との接合界面側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であり、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径よりも小さく、
前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体素子の表面に設けられた導電部と、
前記導電部の表面に設けられた、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜と、
前記金属膜に接合された、４５０μｍ以上５５０μｍ以下の範囲の線径を有するワイヤと、
を備え、
前記ワイヤのうちの前記ワイヤと前記金属膜との接合界面側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であり、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径よりも小さく、
前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記ワイヤは、アルミニウム合金ワイヤであり、鉄を０．２質量％以上２．０質量％以下の範囲で含み、残部が純度９９．９９％以上のアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子は、
シリコン基板および炭化珪素基板から選ばれる半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた、アルミニウムを主成分とする前記導電部と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属膜は、ニッケルを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属膜は、ニッケルを主成分とし、リンおよびボロンの少なくとも一方を含有するニッケル合金膜であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体素子の表面に、導電部が設けられている。前記導電部の表面に、３．０μｍ以上の厚さを有する金属膜が設けられている。前記金属膜に、５００μｍ以上の線径を有するワイヤが接合されている。前記ワイヤのうちの前記ワイヤと前記金属膜との接合界面側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であり、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径よりも小さく、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内である。また、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体素子の表面に設けられた導電部が設けられている。前記導電部の表面に設けられた、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜が設けられている。前記金属膜に接合された、４５０μｍ以上の線径を有するワイヤが設けられている。前記ワイヤのうちの前記ワイヤと前記金属膜との接合界面側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であり、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径よりも小さく、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内である。また、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体素子の表面に設けられた導電部が設けられている。前記導電部の表面に設けられた、３μｍ以上７μｍ以下の厚さを有する金属膜が設けられている。 前記金属膜に接合された、４５０μｍ以上５５０μｍ以下の範囲の線径を有するワイヤが設けられている。前記ワイヤのうちの前記ワイヤと前記金属膜との接合界面側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であり、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径よりも小さく、前記ワイヤのうちの前記接合界面と反対側の部分の結晶粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内である。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ワイヤは、アルミニウム合金ワイヤであり、鉄を０．２質量％以上２．０質量％以下の範囲で含み、残部が純度９９．９９％以上のアルミニウムである。
【国際調査報告】
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2014181688.tif 000020