(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子に金属電極を超音波接合し、前記金属電極を介して前記半導体素子を電気回路基板上に実装する半導体装置の製造方法において、接合工程に先んじて前記金属電極における前記半導体素子と接合される接合面に凹凸部を設け、前記金属電極の前記凹凸部が設けられている側を半導体素子の電極に超音波接合して、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
接合面に設ける凹凸部は前記接合面を凹凸面を持った成形治具を介して加圧成形することにより形成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
接合面に設ける凹凸部は前記接合面を研磨成形することにより形成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
接合面に設ける凹凸部は前記接合面を化学反応により侵食させることにより形成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体素子に超音波接合された金属電極を介して前記半導体素子が電気回路基板上に実装された半導体装置であって、金属電極における半導体素子の電極との接合面に凹凸部が設けられて超音波接合され、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子を実装する半導体装置の製造方法に関し、特に金属電極を半導体素子に超音波接合し、この金属電極を介して半導体素子を電気回路基板上に実装する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体素子を実装する半導体装置としては、半導体素子と金属電極とをワイヤボンディングにより接続する構造が多くとられる。しかし、この構造ではワイヤボンディングによる配線インダクタンスの増加によるノイズ発生や信頼性の低下などの問題が避けられないため、金属電極を半導体素子に超音波接合して半導体装置の電極部とし、回路基板と短い配線距離で信号ならびに電力を授受できるように図られた半導体装置が注目されている。
【０００３】
以下、従来構造の半導体装置について図面を参照しながら説明する。
従来の半導体装置の例を図６に示す。半導体素子１はＭＯＳＦＥＴであり、半導体素子本体１４の第１主面１４ａ上に第１主電極としてのドレイン（図示せず）を有し、第２主面１４ｂ上にアルミなどからなる第２主電極としてのソース１１および制御電極としてのゲート１２をそれぞれ有する。半導体素子１のドレインは、半導体素子本体１４の第１主面１４ａ上において、表面をニッケルめっき処理された銅板からなる第１主電極用の装置電極２に対して、半田を用いた第１主電極用の接合手段３により接合され、外部ドレイン端子として働く。
【０００４】
半導体素子１のソース１１は、表面を金めっき処理された立方体形状の銅片からなる第２主電極用の金属電極８に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。半導体素子１のゲート１２は、表面を金めっき処理された立方体形状の銅片からなる制御電極用の金属電極９に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。
【０００５】
第２主電極用の金属電極８ならびに制御電極用の金属電極９は、前記第２主面１４ａと接合される接合面が平坦になるよう成形されている。
第２主電極用の金属電極８ならびに制御電極用の金属電極９の超音波接合は以下のようにして行う。図７に示すように、半導体素子１の第２主面１４ｂが上方に向くように、半導体素子１を超音波接合ステージ５１に載置した状態で、超音波出力ホーン５２が接続された超音波出力ヘッド５３により、第２主電極用金属電極８ならびに制御電極用金属電極９を下方に加圧しながら超音波振動を与えて超音波接合を行う。
【０００６】
この超音波接合を行うに際して、図６、図７に示すように、半導体素子１のアルミからなるソース１１およびゲート１２の表面には、大気中にさらされることで必然的に酸化膜１３が形成されており、この酸化膜１３が超音波接合には障害となる。そのため、このような金属電極８、９の半導体素子１に対する接合においては、まず金属電極８、９を介して第１加重を加えて酸化膜１３を破壊し、合金を形成しやすい条件とした後、第２加重のもとに超音波振動を与えて接合を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の半導体装置の製造方法においては、超音波接合時にアルミなどからなる金属電極８、９の表面に形成された酸化膜１３を貫通するための第１加重に伴う運動量を接合面積に比例して大きく取る必要があり、大電流を扱う用途、即ち接合面積を大きく取る用途では第１加重により半導体素子１を破壊する可能性が高くなっていた。
【０００８】
さらに、加重や超音波振動により金属電極８、９が半導体素子１のソース１１やゲート１２に対して位置ずれを生じやすく、正確な接合がなされない可能性が大きかった。
【０００９】
さらに、加重や超音波振動により金属電極８、９の水平度が損なわれた場合、接合面積に大きな変動を生じるとともに加重分布のむらを生じ、正確な接合がなされない可能性が大きくなる。
【００１０】
上記のような問題により、従来の半導体装置の製造方法によれば、期待された電気的特性が安定して得られず、また製品歩留まりが低下したり、信頼性が低下するという課題を有していた。
【００１１】
本発明は上述した課題を考慮してなされたもので、半導体素子に金属電極を超音波接合する際の加重や超音波振動に伴う半導体素子へのダメージや位置ずれが小さく、加重分布および接合強度分布のむらが少ない正確な接合を行うことができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決して目的を達成するために、具体的には以下のような手法を講じる。
【００１３】
請求項１に対応する発明は、半導体素子に金属電極を超音波接合し、前記金属電極を介して前記半導体素子を電気回路基板上に実装する半導体装置の製造方法において、接合工程に先んじて前記金属電極における前記半導体素子と接合される接合面に凹凸部を設け、前記金属電極の前記凹凸部が設けられている側を半導体素子の電極に超音波接合して、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態とすることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に対応する発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、接合面に設ける凹凸部は前記接合面を凹凸面を持った成形治具を介して加圧成形することにより形成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に対応する発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、接合面に設ける凹凸部は前記接合面を研磨成形することにより形成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に対応する発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、接合面に設ける凹凸部は前記接合面を化学反応により侵食させることにより形成されることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に対応する発明は、半導体素子に超音波接合された金属電極を介して前記半導体素子が電気回路基板上に実装された半導体装置であって、金属電極における半導体素子の電極との接合面に凹凸部が設けられて超音波接合され、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来の半導体装置ならびにその製造に関わる装置と略同様な部分には同一符号を付して説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図である。半導体素子１はＭＯＳＦＥＴであり、半導体素子本体１４の第１主面１４ａ上に第１主電極としてのドレイン（図示せず）を有し、第２主面１４ｂ上にアルミなどからなる第２主電極としてのソース１１および制御電極としてのゲート１２をそれぞれ有する。半導体素子１のドレインは、半導体素子本体１４の第１主面１４ａ上において、表面をニッケルめっき処理された銅板からなる第１主電極用の装置電極２に対して、半田を用いた第１主電極用の接合手段３により接合され、外部ドレイン端子として働く。
【００２０】
半導体素子１のソース１１は、表面を金めっき処理された凹凸付き立方体形状の銅片からなる第２主電極用の金属電極４に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。半導体素子１のゲート１２は、接合面に凹凸を設けた立方体形状の銅片からなる制御電極用の金属電極５に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。
【００２１】
ここで本実施の形態の半導体装置では、上記金属電極４、５の表面のうち、半導体素子１と接合される接合面には超音波接合工程に先んじて凹凸部４ａ，５ａを設けている。
【００２２】
図２に本実施の形態にかかる半導体装置の構成要素である金属電極４、５の接合面に凹凸部４ａ，５ａを形成する方法を、金属電極４を例に用いて図示する。
すなわち、金めっきした立方体状の銅片からなる金属電極４の接合面となる面に、凹凸面６１を持ちかつ金属電極４より硬い物質からなる成形治具６０をプレス装置ステージ７０に設置し、成形治具６０の凹凸面６１が金属電極４の接合面となる面に良好に転写されるように、金属電極４の全体形状を損なわない大きさの圧力・時間・温度にてプレス装置ヘッド７１でプレスする。
【００２３】
以上の工程により金属電極４の接合面となる面には意図する凹凸部４ａが形成されるので、この面を接合面として半導体素子１のアルミ電極部（ソース１１）と対向させて、超音波接合を行う。なお、図１の上部に、本実施の形態で実現される金属電極４、５の形状を、接合面である凹凸部４ａ，５ａを上にして示す。
【００２４】
図３は、本実施の形態に係る半導体装置の、超音波接合に際しての第１加重を加えた瞬間の、超音波接合装置の一部を含む断面図である。
図３に示すように、半導体素子１の第２主面１４ｂが上方に向くように、半導体素子１を超音波接合ステージ５１に載置した状態で、超音波出力ホーン５２が接続された超音波出力ヘッド５３により、第２主電極用の金属電極４ならびに制御電極用の金属電極５を下方に加圧しながら超音波振動を与えて超音波接合を行うと、金属電極４、５の接合面に形成された凹凸部４ａ，５ａが酸化膜１３より深くしかもアルミ電極であるソース１１やゲート１２の厚み分よりは浅く打ち込まれた状態になり、加重や超音波振動により金属電極４、５が半導体素子１の電極部（ソース１１やゲート１２）に対して位置ずれを生じにくくなるため、正確な接合が可能となる。
【００２５】
また、第１加重の不足や凹凸部４ａ，５ａの段差寸法や形状などが原因で酸化膜１３が貫通しなかった場合でも、超音波振動により酸化膜１３が破壊されて、十分な接合がなされる可能性がある。超音波振動は金属同士が接する面の周縁部いわゆるエッジにおいてより伝達しやすいため、上記のような場合においても従来の半導体装置の製造方法に比べて、エッジの多い電極接合面を実現できる本実施の形態の半導体装置の製造方法を採用することで容易に接合可能である。
【００２６】
さらに、加重や超音波振動により金属電極４、５の水平度が損なわれた場合、従来の方法では接合面積に大きな変動を生じるとともに加重分布のむらを生じていたが、従来方法に比較して接合面積の変動および加重分布のむらは本実施の形態の半導体装置の製造方法の採用で、より小さく抑えられるため、より正確な接合が可能となる。
【００２７】
なお、金属電極４、５の凹凸部４ａ，５ａの形状としては、図１に示すように、上方ほど水平断面積が小さくなる形状（例えば図１に示すような、角錐形状など）であると、凹凸部４ａ，５ａが酸化膜１３より深く食い込み易くなって好適であるが、これに限るものではなく、どのような形状の凹凸部４ａ，５ａであろうと、平面の場合と比べてソース１１やゲート１２に良好に食い込んで接合し易くなる。
【００２８】
（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図である。図１に示すものと同様な構成要素には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。
【００２９】
すなわち、第１の実施の形態においては、半導体素子１に超音波接合される金属電極として、プレス工程により接合面に凹凸部４ａ，５ａを設けた凹凸付き金属電極４、５を用いていたが、本実施の形態にかかる半導体装置ならびにその製造方法では、金属電極４、５に代るものとして、研磨工程により接合面に凹凸部６ａ，７ａを設けた研磨加工凹凸付き金属電極６、７を用いている。
【００３０】
図５に本実施の形態にかかる半導体装置の構成要素である金属電極６、７の接合面に凹凸部６ａ，７ａを形成する方法を、金属電極６を例に用いて図示する。
すなわち、立方体状の銅片からなる金属電極６を研磨試料固定具８１に固定した上で、金属電極６の接合面となる面を、金属電極６より硬い物質からなる研磨粒を表面に固着した回転する研磨ディスク８２により研磨する。
【００３１】
以上の工程により金属電極６の接合面となる面には溝状の凹凸部６ａが形成されるので、この面を接合面として半導体素子１のアルミ電極部（ソース１１）と対向させて、超音波接合を行う。なお、接合に先んじて、金属電極６の表面に金めっき処理を施すと金属電極６の表面に酸化膜が生じにくくなるため、より接合が簡易になる。図４の上部に、本実施の形態で実現される金属電極６、７の形状を、接合面である凹凸部６ａ，７ａを上にして示す。
【００３２】
ここで、上記第１の実施の形態においては、金属電極４、５をプレスする際に、金属電極４、５の全体形状を損なわないようにプレス圧を制御する必要があり、また成形後の電極高さの正確な制御が困難であったが、本実施の形態を用いれば、金属電極６、７の全体形状はほとんど損なわれず、研磨時間などの条件を変化させることで成形後の電極高さの正確な制御が可能となる。
【００３３】
なお、金属電極６、７の凹凸部６ａ，７ａの形状としては、図４に示すように、上方ほど水平断面積が小さくなる三角形状であると、凹凸部６ａ，７ａが酸化膜１３より深く食い込み易くなって好適であるが、これに限るものではなく、どのような形状の凹凸部６ａ，７ａであろうと、平面の場合と比べてソース１１やゲート１２に良好に食い込んで接合し易くなる。
【００３４】
また、上記第１、第２の実施の形態における金属電極４〜７の凹凸部４ａ〜７ａの形状を、接合面を化学反応により侵食させることにより形成してもよい。
また、上記第１、第２の実施の形態においては、金属電極４、５は金属片としているが、これらの実施形態と同様に、金属電極４、５が回路基板と電気的に接続して信号ならびに電力を授受できるような他の形状、例えば板形状や柱形状とした変形構成も、本発明の主旨より容易に導出が可能であることは言うまでもない。
【００３５】
さらに、上記第１、第２の実施の形態においては、半導体素子１としてＭＯＳＦＥＴを用いた例についてのみ説明したが、半導体素子１として異なる種類のもの、例えばＩＧＢＴやダイオード、さらにはこれらを集積化したＩＣなどを用いた場合にも同様の効果が得られることは本発明の主旨より明らかである。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、金属電極の半導体素子と接合される接合面に凹凸部を設けて、金属電極における凹凸部側を半導体素子の電極に超音波接合して、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態とすることで、超音波接合時に半導体素子の電極部表面の酸化膜を貫通するための第１加重を従来の製造方法（接合方法）に比較して小さい値で十分となり、この結果、第１加重により半導体素子を破壊する可能性が低減される。
【００３７】
さらに、加重や超音波振動により金属電極が半導体素子の電極部に対して位置ずれを生じにくくなるため、正確な接合が可能となる。
さらに、加重や超音波振動により金属電極の水平度が損なわれた場合、従来の方法では接合面積に大きな変動を生じるとともに加重分布のむらを生じていたが、従来方法に比較して接合面積の変動および加重分布のむらは小さく抑えられるため、より正確な接合が可能となり、良好な電気的特性が安定して得られ、製品歩留まりの向上ならびに信頼性の向上が実現できる。
【００３８】
すなわち本発明の製造方法を採用すると、従来の半導体の接合方法を用いた場合に比べて、電気的特性の改善とともに製品歩留まりの向上と信頼性の向上を可能にする優れた半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図であり、上部には、金属電極単体の斜視図も示す。
【図２】同実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いる金属電極の接合面に凹凸部を形成する工程を示す断面図である。
【図３】同実施の形態に係る半導体装置の製造方法における半導体装置に金属電極を超音波接合する工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図であり、上部には、金属電極単体の斜視図も示す。
【図５】同実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いる金属電極の接合面に凹凸部を形成する工程を示す断面図である。
【図６】従来の半導体装置を示した概略的な断面図である。
【図７】同従来の半導体装置の製造方法において金属電極を超音波接合する工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１        半導体素子
４〜７    金属電極
４ａ〜７ａ    凹凸部
１１      ソース（電極部）
１２      ゲート（電極部）
１３      酸化膜
１４      半導体素子本体
５１      超音波接合ステージ
５２      超音波出力ホーン
５３      超音波出力ヘッド
６０      成形治具
６１      凹凸面
８１      研磨試料固定具
８２      研磨ディスク
【図１】
0004601141.tif 000002
【図２】
0004601141.tif 000003
【図３】
0004601141.tif 000004
【図４】
0004601141.tif 000005
【図５】
0004601141.tif 000006
【図６】
0004601141.tif 000007
【図７】
0004601141.tif 000008