(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面側にコレクタ電極が設けられた縦型半導体素子を備え、このコレクタ電極が絶縁基板上に構成された電気回路パターンと面接合されてなる半導体装置において、
前記縦型半導体素子がチップ接合温度の最大値（Ｔｊｍａｘ）が１５０℃以上であり、前記縦型半導体素子の表面側に設けられたアルミニウム（Ａｌ）層からなるエミッタ電極と、
前記エミッタ電極の上面に接してニッケル（Ｎｉ）組成物からなるニッケルめっき膜が前記エミッタ電極の膜厚以下の厚さに成膜された金属保護膜と、
前記エミッタ電極と熱圧着あるいは超音波振動によって前記金属保護膜を介して電気的に接続されたアルミニウム（Ａｌ）ワイヤからなるワイヤ配線と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属保護膜としてのニッケルめっき膜は、無電解めっき法によって５マイクロメートル（μｍ）以下の厚さに成膜されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記エミッタ電極としてのアルミニウム層が３マイクロメートル（μｍ）以上、５μｍ以下の厚さに成膜され、前記金属保護膜が前記エミッタ電極の膜厚以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ニッケルめっき膜が、前記半導体装置の組み立て工程においてアニールされ、硬化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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、半導体素子の表裏面にそれぞれ電極を有し、その裏面電極が絶縁基板上に構成された電気回路パターンと面接合されてなる半導体装置に関し、とくに高い熱伝導性が要求される縦型半導体素子のようなパワー半導体素子を組み込んで構成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
縦型半導体素子は、半導体基板の表裏主面にそれぞれ電極が配置され、電流が半導体基板内部を上下方向に流れるものであって、大電流用途に適した構造の半導体チップとして知られている。この種の縦型半導体素子は、現状では、高い熱伝導性が要求されるＩＧＢＴモジュールなどに組み込まれた大容量半導体装置（パワーデバイス）として多用されている。
【０００３】
図５は、従来のパワーデバイスの一例をその断面構成によって示す断面図である。
パワー半導体モジュール１００には、セラミクス基板１３１の表面で所定の電気回路パターンを構成する導体層１３２と、その裏面で裏銅箔を構成する導体層１３３が形成されたセラミクス絶縁板（ＤＢＣ基板）１３０の上に、それぞれはんだ層１２０を介して２枚の半導体チップ１１０が接合されている。また、セラミクス絶縁板１３０の半導体チップ１１０との接合面とは反対の面に、はんだ層１２１を介して銅ベース１４０が接合されている。さらに、銅ベース１４０には、セラミクス絶縁板１３０との接合面とは反対の面にサーマルコンパウンド１５０を介して冷却フィン１６０が接合されている。冷却フィン１６０は、サーマルコンパウンド１５０により銅ベース１４０との間で密着して、両者の熱伝導を良好にして、パワー半導体モジュール１００で発生する熱を放散する機能を果たしている。
【０００４】
セラミクス基板１３１には、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が用いられる。また、セラミクス基板１３１に接合されている導体層１３２，１３３には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ：以下、アルミと略称する。）などが用いられる。導体層１３２の電気回路パターンは、エッチングなどにより形成される。
【０００５】
ここで、半導体チップ１１０をセラミクス絶縁板１３０の電気回路パターン（導体層１３２）に接合するはんだ層１２０や、裏銅箔を構成する導体層１３３と銅ベース１４０とを接合するはんだ層１２０，１２１には、板はんだやクリームはんだが利用され、それらが一定の接合層厚さを確保するように組立てられている。なお、図５のパワー半導体モジュール１００には、樹脂ケース、外部端子、ワイヤボンディングなどは示されていない。
【０００６】
こうしたパワーデバイスのシリコン基板（半導体チップ１１０）は、従来から、その裏面側にはんだ接合ができるような金属電極膜が被着されている。また、表面（上面）側の金属電極はアルミ電極膜が成膜され、ワイヤボンディングにより外部接続端子と接続されるものが一般的であった。最近では、半導体素子の表面側の電気配線として、ワイヤボンディングに代えて、たとえばリードフレームを使用するパワーデバイスも提案されている。
【０００７】
図６は、パワー半導体モジュールの構造を示す断面図である。
このパワー半導体モジュール２００は、複数の発熱性の半導体素子２１０（ＩＧＢＴモジュール）が、はんだ層２２０を介して、長方形板状の絶縁基板２３１の表面に形成された回路パターン２３２の所定位置に接合されている。図６には、複数の半導体素子２１０の一つだけが表示されている。
【０００８】
絶縁基板２３１の裏面では、導体層２３３がこの絶縁基板２３１よりも大きな長方形板状の銅板からなるヒートシンク２６０にはんだ層２２１を介して接合され、このヒートシンク２６０の上端縁に沿って半導体素子２１０を取り囲むように、樹脂成形されたケース２６１が接着されている。ケース２６１の内壁には外部接続端子として、エミッタ用端子２５１やコレクタ用端子２５２等が設けられており、それぞれ複数本のアルミワイヤ２４１，２４２等を介して絶縁基板２３１上の各回路パターン２３２に電気的に接続されている。
【０００９】
半導体素子２１０の表面電極には、図示しないアルミの成膜がなされており、さらにその上面に無電解ニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）めっき処理が施されているため、アルミワイヤ２４１，２４２等のはんだ接合が可能となっている。そして、絶縁基板２３１と反対側に形成された半導体素子２１０の表面電極には、はんだ層２２２を介して、低電気抵抗率で高熱伝導率を有する銅からなる長方形板状の高熱伝導体２４０が接合されている。この高熱伝導体２４０は、二股のリードフレーム（電気伝導体）として構成している。
【００１０】
すなわち、高熱伝導体２４０は半導体素子２１０の表面電極と接続される本体と、その側方に、はんだ層２２３を介して絶縁基板２３１の回路パターン２３２に電気的に接続されるリードフレーム部とを有している。この本体とリードフレーム部とは、その上端縁が架橋部によって接続されている。
【００１１】
この高熱伝導体２４０では、その本体側が半導体素子２１０の表面に形成されたエミッタ電極に接続され、そのリードフレーム部が絶縁基板２３１の回路パターン２３２に接続される。さらにエミッタ電流を絶縁基板２３１からエミッタ用端子２５１側に流すべく、アルミワイヤ２４１の一端がエミッタ用端子２５１にボンディングされ、他端が回路パターン２３２に接続されている。半導体素子２１０の裏面にはコレクタ電極が形成されており、はんだ層２２０を介して絶縁基板２３１の回路パターン２３２に接続されている。
【００１２】
また、半導体素子２１０の表面にはゲート電極も形成されており、このゲート電極と回路パターン２３２とをつなぐアルミワイヤ２４３がボンディングされている。このゲート電極と電気的に接続される回路パターン２３２からは、さらにアルミワイヤ２４４が延出されており、その先端がケース２６１の内壁に設けられた図示しないゲート用端子に接続されている。
【００１３】
このように、パワー半導体モジュール２００は各アルミワイヤ２４１〜２４４によって電気配線が形成されている。さらに、これら絶縁基板２３１、半導体素子２１０、高熱伝導体２４０および各アルミワイヤ２４１〜２４４を水分、湿気、塵などから保護するために、ケース２６１内はゲル２７０で封止されている。
【００１４】
こうしたリードフレーム（高熱伝導体２４０）を使用するパワーデバイスでは、環境に配慮する観点から、半導体素子２１０を接着する際のはんだ層２２０〜２２２として、鉛（Ｐｂ）フリー組成のすず−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系はんだ等が使用されるようになってきた。この鉛フリーはんだを使用した場合、所謂パワーサイクル試験と呼ばれている断続通電試験を行うことによって、半導体素子２１０の面内で、より高温になる半導体素子２１０中央部の下のはんだ層２２０が劣化し、縦方向に割れを生じることが明らかになっている（非特許文献１参照）。
【００１５】
非特許文献１では、パワー半導体モジュールの信頼性において最も重要視されるパワーサイクル信頼性について、寿命向上のための設計技術が紹介されている。シリコンチップ接合部に鉛基はんだを用いると、ＩＧＢＴモジュールの実使用温度域でのパワーサイクル寿命は、はんだ接合部の寿命が支配的である。そこで、はんだ接合部寿命の改善に向けて、高強度で濡れ性に優れたＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだ材料が新たに開発されている。また、シリコンチップ接合部に新開発のＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだを適用することで、パワーサイクル寿命の向上が達成できる。さらに、その破壊メカニズムが明らかにされている。
【００１６】
図７は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだの亀裂進展形態を示す図である。
半導体チップ１１０を絶縁基板（図示せず）に接合するはんだ層１２０として、降伏強度の大きいＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだを用いた場合、半導体チップ１１０の中央部直下付近を起点に、ほぼ同心円状に亀裂が進展する。このとき、その亀裂がはんだ層１２０の厚さ方向に対して平行な縦割れ、または網目状となり、すずの結晶粒界を選択的に進展する。これらのことから、鉛基はんだの劣化がひずみによる塑性変形で進行するのに対して、Ｓｎ−Ａｇ系はんだは熱劣化（組織変化）によって進行するものと考えられている。
【００１７】
また、半導体チップ１１０の表面電極膜１１ａにおいても、ストレスマイグレーション、あるいはエレクトロマイグレーションによって表面電極膜１１ａを構成するアルミ電極が劣化し、後述する図３（ａ）に示すようなクラックが発生する傾向にある。
【００１８】
パワーサイクル試験は、パワー半導体装置の実動作を模擬した試験であって、はんだ層１２０の劣化、アルミ電極の劣化などの現象は、パワー半導体装置の実使用においても同様に発生するものと推測されている。
【００１９】
最近では、ハイブリッドカーなどでは電気容量の大容量化とともに高温化が期待されており、図５に示すようなパワーデバイスのチップ接合温度の最大値（Ｔｊｍａｘ）が１５０℃以上に設定される。ところが、半導体チップ１１０の表面電極膜１１ａにアルミ電極を用い、高温領域でパワーデバイスを使用した場合、上述したようにアルミ電極がストレスマイグレーション、あるいはエレクトロマイグレーション等によって劣化し、そこに接合されるアルミワイヤが剥離するなど、半導体装置の信頼性に影響を与える。なお、図７では裏面電極を図示していないが、上述したクラックは絶縁基板の回路パターンと裏面電極膜のはんだ接合には影響が少ない。
【００２０】
この点に関して、たとえばアルミ電極の表面に対して、はんだ付けやワイヤボンディング等が行われる外部接続用の金属電極の一例として、特許文献１の記載がある。ここには、半導体基板の基板表面に形成されたアルミ電極の上に外部接続用のニッケル膜を含む金属電極を設け、半導体基板の基板裏面に裏面電極を設けてなる半導体装置において、製造時における半導体ウェハの反りを極力抑制できるようにしたものが記載されている。その結果、裏面電極にニッケル膜を用いて、この基板表面のニッケル膜と基板裏面のニッケル膜との膜応力のバランスを考慮して、半導体ウェハの反りを従来に比べて大幅に低減できる。
【００２１】
また、シリコン（Ｓｉ）の熱膨張率とニッケルや銅などの重金属の膨張率との相違による影響を受けることなく、低抵抗を実現する半導体装置の電極構造の一例として、特許文献２の記載がある。ここには、上述した電極構造を有する半導体チップを組み込む際に、ニッケルまたは銅などのはんだ付け可能な金属のメッキ処理により金属メッキ層を形成することで、パッケージのリード端子とチップのソース電極との接続において、アルミや金で形成されたワイヤに依存する必要がなく、銅等で形成した接続板を用いることができ、ソース電極の表面全体を外部リードに接続できるので、電極抵抗を大幅に低減することができるというものが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３３１３０号公報（段落番号〔００３０〕〜〔０１１３〕、図６など）
【特許文献２】特開２００２−１１０９８１号公報（段落番号〔００３２〕〜〔００３９〕、図５など）
【非特許文献１】富士時報Ｖｏｌ．７４  Ｎｏ．２  ２００１年  両角  朗・山田  克己・宮坂  忠志「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」（ｐｐ．１４５〜１４８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
図８は、ＩＧＢＴモジュールの表面電極膜であるアルミ電極を顕微鏡写真によって示す平面図である。同図（ａ）はパワーサイクル試験実施前の状態、同図（ｂ）は試験実施後の状態を示している。
【００２３】
実施前後における状態を互いに比較して分かるように、アルミ電極はパワーサイクル試験を実施することで明らかに劣化する。この劣化の原因は、シリコン半導体素子本体とアルミ電極膜との線膨張係数差によるストレスマイグレーション、および通電電流によるエレクトロマイグレーションが組み合わされたものと推測される。
【００２４】
したがって、表面電極膜１１ａとしてアルミ電極が成膜され、その表面電極膜１１ａに対する電気配線としてアルミワイヤを用いるパワー半導体装置では、大きなエミッタ電流が流れて半導体チップ１１０が高温となった時に、アルミ電極膜とアルミワイヤと間の電気的、機械的な接続を保証して安定に動作することが困難であった。
【００２５】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高温動作状態であっても半導体素子の表面電極膜が電気的、機械的に安定した状態を維持できる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】
【００２６】
本発明では、上記問題を解決するために、裏面側にコレクタ電極が設けられた縦型半導体素子を備え、このコレクタ電極が絶縁基板上に構成された電気回路パターンと面接合されてなる半導体装置において、前記縦型半導体素子がチップ接合温度の最大値（Ｔｊｍａｘ）が１５０℃以上であり、前記縦型半導体素子の表面側に設けられたアルミニウム（Ａｌ）層からなるエミッタ電極と、前記エミッタ電極の上面に接してニッケル（Ｎｉ）組成物からなるニッケルめっき膜が前記エミッタ電極の膜厚以下の厚さに成膜された金属保護膜と、前記エミッタ電極と熱圧着あるいは超音波振動によって前記金属保護膜を介して電気的に接続されたアルミニウム（Ａｌ）ワイヤからなるワイヤ配線と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００２７】
ここでは、半導体素子の表面電極上に、電気的、機械的に安定した金属保護膜を成膜することで、高温動作時にストレスマイグレーション等で表面電極が劣化しても、ワイヤ配線との接続が確保できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、金属保護膜を介して半導体素子のエミッタ電極上でのワイヤ配線の電気的、機械的な接続を確保でき、パワー半導体素子を組み込んで構成される半導体装置の寿命向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態の電極構造を示す断面図である。
半導体素子１は、その表裏面にそれぞれ主電極として電極１ａ，１ｂを有し、表面電極１ａとして形成されたアルミ電極膜の劣化による電気抵抗の増加や、アルミワイヤ２の剥離を阻止するために、アルミ電極膜の上にニッケル膜３が、金属保護膜として成膜されている。また、裏面電極１ｂは上述した図５に示すように、ＤＢＣ基板（セラミクス絶縁板１３０）の電気回路パターンを構成する導体層１３２に、はんだ接合されている。ここでは、表面電極１ａはＩＧＢＴモジュールのエミッタ電極であって、そこにはニッケル膜３の上にアルミワイヤ２を熱圧着あるいは超音波振動によって接合する配線構造が採用される。
【００３０】
表面電極１ａへのニッケル膜３の成膜には、めっき、スパッタ、蒸着などの方法が可能である。実際には、パワー半導体装置に組み込まれるＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどは、表面電極１ａが複数のエリアに分割されて形成されるため、無電解めっき法を用いることが望ましい。
【００３１】
アルミ電極膜による表面電極１ａの厚さは、３〜５［μｍ］であって、この表面電極１ａへの無電界めっきでは、つぎに説明するジンケート法が一般的に採用される。
図２は、ジンケート法による無電解ニッケルめっき工程を説明する流れ図である。
【００３２】
アルミは酸やアルカリに弱いため（活性が大きいため）、アルミ電極膜の表面に既存のニッケルめっき等を成膜させることが困難である。そこで、最初に表面電極１ａのアルカリ脱脂を行う脱脂工程（ステップＳ１）が実行される。
【００３３】
つぎに、酸性エッチングによる酸洗い工程（ステップＳ２）が実行される。つぎのステップＳ３では、たとえば粒径１μｍ程度の多数の結晶性亜鉛をアルミ電極膜に置換析出させる（１次ジンケート工程）。その後、表面の亜鉛を剥離し（ステップＳ４）、さらに２次ジンケート工程を実施し（ステップＳ５）、最終的に無電解ニッケルめっき工程で亜鉛をニッケルに置換する（ステップＳ６）ことで、ニッケル膜３が成膜される。なお、ニッケル膜３の厚さは、表面電極１ａの膜厚以下とすることで、半導体素子１にバイメタル効果による反りが発生しない。
【００３４】
このようなジンケート法に代えて、パラジウム法によりアルミ電極膜の保護膜としてニッケルめっき層を成膜してもよい。その場合でも、ニッケルめっき層の厚さは、５μｍ程度の厚さとする必要がある。具体的には、アルミ電極膜による表面電極１ａの厚さ以下とすることが望ましい。
【００３５】
ニッケル膜３が成膜された半導体素子１は、ＩＧＢＴモジュールの組立工程で３００℃程度のはんだリフロー工程を経て、図６に示すような構成のパワー半導体モジュールが完成する。したがって、そのような工程でニッケル膜３はアニールされ、その硬度が増す。それによって、半導体素子１の高温動作時でも、ニッケル膜３とアルミワイヤ２との電気的、機械的な接続が安定して維持できる。
【００３６】
図３は、ＩＧＢＴモジュールの表面電極膜であるアルミ電極を顕微鏡写真によって示す断面図である。
図３（ａ）に示す断面図は、アルミ電極膜（表面電極１ａ）上に無電解めっきによるニッケル膜３が成膜された状態で、７万回のパワーサイクル試験を行った後のものである。アルミ電極膜上のニッケル膜３が金属保護膜として作用することによって、表面電極１ａの劣化自体が抑制されている。
【００３７】
同図（ｂ）には、７万回のパワーサイクル試験を行った後の、従来のアルミ電極膜（表面電極１ａ）の状態を示す。アルミ電極膜の上に保護膜はなく、複数本のクラックが発生した。このときのアルミ電極膜は、ケース内に充填されたゲルで覆われているのみである。
【００３８】
図４は、温度を変更してパワーサイクル試験を実施した結果を示す図である。
左欄には、アルミ電極膜の状態を示す。中欄には、パワーサイクル試験におけるチップ接合温度Ｔｊを示す。ここで、「初期」とあるのは、パワーサイクル試験を実施する以前の状態をいう。右欄には、電極断面の観察結果を示す。
【００３９】
ここで、図５に示すニッケル膜３が形成されていない従来のアルミ電極膜では、５万サイクルの試験で、チップ接合温度Ｔｊが１００℃までは縦方向にクラックが発生する。さらに温度を上げて、Ｔｊ＝１５０℃で実施すると、縦、横方向にクラックが発生する（粒界割れ）。これに対して、図１に示すようなニッケル膜３が形成されていると、チップ接合温度Ｔｊを１５０℃として、７万２０００サイクルの試験を行っても、クラックは発生しなかった。
【００４０】
以上、本発明の半導体装置では、半導体素子１の表面電極１ａであるアルミ電極膜上に、ニッケル膜３を成膜し、そのニッケル膜３の表面にアルミワイヤ２を超音波接合などによって接合するようにしたので、電気的、機械的な接続が確保でき、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
【００４１】
なお、金属保護膜としてはニッケル膜３以外にも、銅などの金属膜であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態の電極構造を示す断面図である。
【図２】ジンケート法による無電解ニッケルめっき工程を説明する流れ図である。
【図３】ＩＧＢＴモジュールの表面電極膜であるアルミ電極を顕微鏡写真によって示す断面図である。
【図４】温度を変更してパワーサイクル試験を実施した結果を示す図である。
【図５】従来のパワーデバイスの一例をその断面構成によって示す断面図である。
【図６】パワー半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図７】Ｓｎ−Ａｇ系はんだの亀裂進展形態を示す図である。
【図８】ＩＧＢＴモジュールの表面電極膜であるアルミ電極を顕微鏡写真によって示す平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  半導体素子
１ａ  表面電極
１ｂ  裏面電極
２  アルミワイヤ
３  ニッケル膜
【図１】
0005214936.tif 000002
【図２】
0005214936.tif 000003
【図３】
0005214936.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005214936.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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