(57)【要約】【課題】  信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  基台１１と、基台１１上に載置されたアルミニウム膜１２と、アルミニウム膜１２上に載置された半導体チップ１３とを具備し、基台１１の上面１１ａとアルミニウム膜１２の下面１２ａとが直接接合され、半導体チップ１３の第１電極１６とアルミニウム膜１２の上面１２ｂとが直接接合されている。  超音波を印加して室温で接合することにより、熱膨張の差に起因する信頼性の低下を防止する。【選択図】  図１
2007250566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台の主面上に載置されたアルミニウム膜と、
前記アルミニウム膜上に載置された半導体チップと、
を具備し、
前記基台の主面と前記アルミニウム膜の下面とが直接接合され、前記半導体チップと前記アルミニウム膜の上面とが直接接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップのサイズが、前記アルミニウム膜のサイズに等しい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】
前記基台はリードフレームであり、該リードフレームと前記アルミニウム膜の下面とが金属接合されており、前記半導体チップは該半導体チップの金属電極と前記アルミニウム膜の上面とが金属結合されてい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】
基台の主面上にアルミニウム膜を載せる工程と、
前記アルミニウム膜上に半導体チップを載せる工程と、
前記基台と、前記アルミニウム膜および前記半導体チップがこの順に重ねられた積層体に対して前記半導体チップ側から超音波を印加して、前記半導体チップと前記アルミニウム膜の上面とを接続すると共に前記基台の主面と前記アルミニウム膜の下面とを接続する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体チップ上にアルミニウム膜を形成する工程と、
基台の主面上に前記半導体チップを前記アルミニウム膜が形成された面を対向して載せる工程と、
前記基台と、前記アルミニウム膜および前記半導体チップがこの順に重ねられた積層体に対して前記半導体チップ側から超音波を印加して、前記基台の主面と前記アルミニウム膜の下面とを接続する工程と、
を有することを特徴と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】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワートランジスタなどの半導体チップをリードフレームにダイボンディングする場合、接合材としてハンダが用いられていた。  
例えば、ペーストハンダが塗布されたリードフレーム上に半導体チップを載せて加熱することにより、半導体チップをハンダ層を介してリードフレームに接合していた。  
また、リードフレームを加熱してハンダを溶融させ、溶融ハンダが盛られたリードフレーム上に半導体チップを載せることにより、半導体チップをハンダ層を介してリードフレームに接合していた。
【０００３】
然しながら、半導体チップがハンダ層を介してリードフレームにダイボンディングされた半導体装置では、加熱、冷却時の半導体チップとリードフレームとの熱膨張差により、半導体チップにクラックが生じる、あるいはリードフレームに反りや変形が生じるという問題がある。
【０００４】
更に、接合材にハンダを用いることにより、ハンダ層中にボイドが発生する、半導体チップまたはリードフレームとハンダ層とのなじみ不良により接合強度が低下する、加熱による接合界面の化学反応により半導体チップにクラックが生じる、加熱時の雰囲気の影響により接合不良が生じる、接合材のハンダの過剰な広がりによりモールド樹脂との密着力が低下する等の問題が生じる。
【０００５】
これに対して、加熱時の応力を緩和するダイボンディング用合金部材が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献1に開示されたダイボンディング用合金部材は、０．０５〜０．５ｍｍの厚いアルミニウム板を基材とし、その両面に０．００５〜０．１ｍｍの薄い接合用合金層として鉛を含まないハンダ層を有している。
【０００７】
半導体チップを鉛を含まないハンダ層を両面に有するアルミニウム板を介してリードフレームに接合し、加熱、冷却時の半導体チップとリードフレームとの熱膨張差による応力をアルミニウム板が塑性変形することにより緩和している。
【０００８】
然しながら、特許文献1に開示されたダイボンディング用合金部材は、熱応力緩和のためにアルミニウム板を塑性変形させているので長期的に半導体装置の信頼性に影響を及ぼす恐れがある。  
また、ハンダ層を有しているので、上述した問題点を全て解決することはできない問題がある。
【特許文献１】特開２００１−１２７０７６号公報（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の半導体装置では、基台と、前記基台の主面上に載置されたアルミニウム膜と、前記アルミニウム膜上に載置された半導体チップとを具備し、前記基台の主面と前記アルミニウム膜の下面とが直接接合され、前記半導体チップと前記アルミニウム膜の上面とが直接接合されていることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の一態様の半導体装置の製造方法では、基台の主面上にアルミニウム膜を載せる工程と、前記アルミニウム膜上に半導体チップを載せる工程と、前記基台と、前記アルミニウム膜および前記半導体チップがこの順に重ねられた積層体に対して前記半導体チップ側から超音波を印加して、前記半導体チップと前記アルミニウム膜の上面とを接続すると共に前記基台の主面と前記アルミニウム膜の下面とを接続する工程とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、信頼性の高い半導体装置およびその製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の実施例１に係る半導体装置示す断面図である。本実施例は、縦型のトランジスタがＤＩＰ型パッケージ（Dual In line package）に樹脂封止された半導体装置の例である。
【００１５】
図１に示すように、本実施例の半導体装置１０は、リードフレーム１１と、リードフレーム１１の主面のアイランド部１１ａ上に載置されたアルミニウム（Ａｌ）膜１２と、アルミニウム膜１２上に載置された半導体チップ１３とを具備し、リードフレーム１１のアイランド部１１ａとアルミニウム膜１２の下面１２ａとがハンダ層等の接合材を介さずに直接接合され、半導体チップ１３の第１電極１４とアルミニウム膜１２の上面１２ｂとがハンダ層等の接合材を介さずに直接接合されている。
【００１６】
さらに、リードフレーム１１のリード端子（図示せず）に半導体チップ１３の第２電極１５を電気的接続する接続導体、例えばワイヤ１６と、リードフレーム１１および半導体チップ１２を一体にモールドする樹脂１７とを具備している。
【００１７】
具体的には、リードフレーム１１は、例えばニッケル（Ｎｉ）メッキされた銅（Ｃｕ）からなり、アイランド部１１ａのＮｉとアルミニウム膜１２の下面１２ａのＡｌとが固相拡散により金属結合して接合されている。
【００１８】
半導体チップ１３は、例えば縦型のパワーＭＯＳトランジスタで、下面に第１電極（ソース電極）１４として、例えばチタン・ニッケル合金膜（Ｔｉ−Ｎｉ）および上面に第２電極（ドレイン電極）１５として、例えばＡｕ膜がそれぞれ形成されている。第１電極１４の合金膜とアルミニウム膜１２の上面１２ｂのＡｌとが固相拡散により金属結合して接合されている。
【００１９】
アルミニウム膜１２のサイズ（幅×長さ）は半導体チップ１３と等しくし、アルミニウム膜１２の厚さは半導体チップ１３のサイズや通電する電流等の仕様に合わせて、例えば３〜１００μｍ程度が適当である。
【００２０】
なお、この明細書で言う等しくとは、数学的に等しいだけでなく、アルミニウム膜１２の上面１２ｂに半導体チップ１３を載せる際の位置合わせ誤差を見込んだサイズのアルミニウム膜１２も意味している。
【００２１】
また、この明細書で言うアルミニウム膜１２とは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるものを言う。  
例えばアルミニウムにニッケルを５〜２０００ｐｐｍ程度添加して耐腐食性を高めたアルミニウム膜１２でもよく、またアルミニウムにシリコン（Ｓｉ）を１％程度添加して硬度を高めたアルミニウム膜１２でもよい。
【００２２】
次に、図２乃至図４を用いて半導体装置の製造方法について説明する。図２はリードフレーム１１にアルミニウム膜１２を介して半導体チップ１３を接合するダイボンディング装置を示すブロック図、図３は半導体装置の製造工程を順に示す断面図、図４はダイボンディング状態を示す模式図である。
【００２３】
図２に示すように、ダイボンディング装置３０は、リードフレーム１１を収納するマガジンを有する基板供給部３１と、半導体チップを収納するマガジンを有する半導体部品供給部３２と、基板と半導体部品を接合する接合材を収納するマガジンを有する接合材供給部３３と、基板上に接合材を載せる接合材載置部３４と、接合材が載った基板上に半導体部品を載せる半導体部品載置部３５と、接合材を介して基板と半導体部品に超音波を印加して接合する超音波接合部３６と、半導体部品が接合された基板を収納するマガジンを有する基板収納部３７と、各部間を結ぶ搬送路３８ａ〜３８ｆと、を具備している。
【００２４】
始に、図３（ａ）に示すように、基板供給部３１からリードフレーム１１が搬送路３８ａを経由して接合材載置部３４に搬送される。接合部材供給部３３からアルミニウム膜１２が搬送路３８ｂを経由して接合材載置部３４に搬送され、リードフレーム１１のアイランド部１１ａ上に載せられる。アルミニウム膜１２が載せられたリードフレーム１１は搬送路３８ｃを経由して半導体部品載置部３５に搬送される。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体部品供給部３２から半導体チップ１３が搬送路３８ｄを経由して半導体部品載置部３５に搬送され、アルミニウム膜１２の上面１２ｂに載せられる。  
これにより、リードフレーム１１、アルミニウム膜１２および半導体チップ１３がこの順に重ねられる。アルミニウム膜１２および半導体チップ１３が重ねられたリードフレーム１１は、搬送路３８ｅを経由して超音波接合部３６へ搬送される。
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、超音波発振器４０からボンディングツール４１を介して半導体チップ１３に超音波を印加し、室温でリードフレーム１１のアイランド部１１ａとアルミニウム膜１２の下面１２ａおよび半導体チップ１３の第１電極１４とアルミニウム膜１２の上面１２ｂとをそれぞれ接合する。
【００２７】
具体的には、図４（ａ）に示すように、始に、半導体チップ１３をボンディングツール４１のホーン先端の凹部４１ａに嵌め合せ、ボンディングツール４１を介して、例えば周波数１５ｋＨｚ、出力３００Ｗ程度の超音波を、例えば加振時間１ｓｅｃ程度、加圧加重１ｋｇ／ｃｍ２程度で印加する。
【００２８】
これにより、半導体チップ１３は、ボンディングツール４１に保持されて滑ることなく、ボンディングツール４１にしたがって超音波振動を始める。
【００２９】
即ち、図４（ｂ）に示すように、ボンディングツール４１と半導体チップ１３が一体に振動し、等価的にボンディングツール４２が形成される。
【００３０】
ボンディングツール４２の先端の半導体チップ１３の超音波振動により、半導体チップ１３の第１電極１４とアルミニウム膜１２の上面１２ｂとの間で摩擦が生じ、第１電極１４およびアルミニウム膜１２の上面１２ｂの自然酸化膜や汚れが除去されて、第１電極１４およびアルミニウム膜１２の新生面が露出する。
【００３１】
その結果、半導体チップ１３の第１電極１４の合金膜とアルミニウム膜１２の結晶粒どうしが原子間距離になるまで接近すると強力な引力が働き、冶金結合を生成して接合され、第１電極１４の合金膜とアルミニウム膜１２が入り混じった接合面４３が形成される。
【００３２】
これにより、アルミニウム膜１２は、半導体チップ１３と一体化して滑ることなく、半導体チップ１３にしたがって超音波振動を始める。
【００３３】
即ち、図４（ｃ）に示すように、ボンディングツール４１と半導体チップ１３およびアルミニウム膜１２とが一体に振動し、等価的にボンディングツール４４が形成される。
【００３４】
ボンディングツール４４の先端のアルミニウム膜１２の超音波振動により、アルミニウム膜１２の下面１２ａとリードフレーム１１のアイランド部１１ａとの間で摩擦が生じ、リードフレーム１１のアイランド部１１ａおよびアルミニウム膜１２の下面１２ａの自然酸化膜や汚れが除去されて、アイランド部１１ａおよびアルミニウム膜１２の新生面が露出する。
【００３５】
その結果、リードフレーム１１のアイランド部１１ａのＮｉとアルミニウム膜１２の結晶粒どうしが原子間距離になるまで接近すると強力な引力が働き、冶金結合を生成して接合され、アイランド部１１ａのＮｉとアルミニウム膜１２が入り混じった接合面４５が形成される。
【００３６】
ここでは、アルミニウム膜１２の下面１２ａとリードフレーム１１のアイランド部１１ａとの間の摩擦抵抗が、半導体チップ１３とアルミニウム膜１２の上面１２ｂとの間の摩擦抵抗より大きく、図４（ｂ）の超音波印加時に、アルミニウム膜１２とリードフレーム１１が滑らないことを前提としている。  
しかし、例えば半導体チップ１３の第１電極１４側面の研削状痕が大きくなると、アルミニウム膜１２の下面１２ａとリードフレーム１１のアイランド部１１ａとの間の摩擦抵抗が、半導体チップ１３とアルミニウム膜１２の上面１２ｂとの間の摩擦抵抗より小さくなる場合があり得るので、例えばリードフレーム１１のアイランド部１１を予め粗面化しておくことが好ましい。
【００３７】
次に、図３（ｄ）に示すように、半導体チップ１３がアルミニウム膜１２を介して一体に接合されたリードフレーム１１は搬送路３８ｆを経由して基板収納部３７へ搬送される。
【００３８】
次に、リードフレーム１１は基板収納部３７から取り出されてワイヤボンディング装置（図示せず）の基板供給部へ収納され、半導体チップ１３の第２電極１５とリードフレーム１１のリード端子（図示せず）にワイヤ１６がボンディングされる。
【００３９】
次に、リードフレーム１１および半導体チップ１３を樹脂１７でモールドすることにより、図１に示す半導体装置１０が完成する。
【００４０】
以上説明したように、本実施例では、アルミニウム膜１２を介して半導体チップ１３をリードフレーム１１に室温で超音波接合している。
【００４１】
その結果、リードフレーム１１と半導体チップ１３との熱膨張係数の差による応力が発生しないので、半導体チップ１３のクラック、リードフレーム１１の反り・変形、さらにはアルミニウム膜１２に塑性変形が生じることがない。
【００４２】
但し、超音波接合後に適当な温度でアニールすることにより、接合界面が焼鈍されてアルミニウム膜１２の耐応力性を高めることも可能である。
【００４３】
更に、半導体チップ１３とリードフレーム１１の接合材としてハンダを用いないので、溶融したハンダが半導体チップ１３の外側へ過剰に広がり、リードフレーム１１とモールド樹脂１７との密着力の低下や、ハンダ層中のボイドやなじみ不良による接合不良などが生じることがない。従って、信頼性の高い半導体装置１０が得られる。
【００４４】
尚、接合条件、例えば超音波出力、加振時間および印加加重などは、使用する超音波発信器や、ボンディングツールのサイズ、半導体チップ１３のサイズなどにより変わるので、予め実験により個別に最適化することが望ましい。
【実施例２】
【００４５】
図５は本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。本実施例において上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、アルミニウム膜１２を半導体チップ１３の第１電極１４上に予め形成したことにある。
【００４６】
即ち、図５（ａ）に示すように、実施例２に係る半導体装置の製造方法は、予め半導体チップ１３の第１電極１４に、例えば真空蒸着法によりアルミニウム膜１２を形成する。アルミニウム膜１２の形成方法はどのような方法でも可能であるが、膜厚が比較的薄い場合は蒸着法を、膜厚が比較的厚い場合はメッキ法が適している。
【００４７】
始に、図５（ｂ）に示すように、基板供給部３１からリードフレーム１１が搬送路３８ａ、３８ｃを経由して半導体部品置部３５に搬送される。半導体部品供給部３２から第１電極１４上にアルミニウム膜１２が形成された半導体チップ１３が搬送路３８ｄを経由して半導体部品載置部３５に搬送され、リードフレーム１１のアイランド部１１ａ上に載せられる。
【００４８】
これにより、リードフレーム１１、アルミニウム膜１２および半導体チップ１３がこの順に重ねられる。アルミニウム膜１２および半導体チップ１３が重ねられたリードフレーム１１は搬送路３８ｅを経由して超音波接合部３６へ搬送される。
【００４９】
次に、図５（ｃ）に示すように、超音波発振器４０からボンディングツール４１を介して超音波を半導体チップ１３に印加し、室温でリードフレーム１１のアイランド部１１ａとアルミニウム膜１２の下面１２ａを接合する。
【００５０】
次に、図５（ｄ）に示すように、アルミニウム膜１２および半導体チップ１３が一体に接合されたリードフレーム１１は搬送路３８ｆを経由して基板収納部３７へ搬送される。
【００５１】
以上説明したように、本実施例では、予めアルミニウム膜１２を半導体チップ１３に形成したので、アルミニウム膜１２を接合材供給部３３より供給する必要がなく、製造時間を短縮することができる。  
また、接合する面がリードフレーム１１のアイランド部１１ａとアルミニウム膜１２の下面１２ａだけでよいので接合条件出しが容易になる利点がある。
【００５２】
上述した実施例においては、基台がリードフレーム１１である場合について説明したが、その他の基台、例えばフレームまたは配線基板にアルミニウム膜１２を介して半導体チップ１３を接合してもよい。
【００５３】
また、上述した実施例においては、半導体チップ１３の第２電極１５と図示しないリード端子とを接続する接続導体の例としてＡｕワイヤ１６の場合について説明したが、接続導体としてはＡｌストラップやＣｕコネクタであってもよい。
【００５４】
特に、半導体チップ１３の第２電極１５と図示しないリード端子とを接続する接続導体として板状のＡｌストラップを用いる場合には、Ａｌストラップの一方の端部を半導体チップ１３の第２の電極１５上及び他方の端部を図示しないリード端子上に位置決めした上で、Ａｌストラップの上面側から半導体チップ１３およびリード端子側へ超音波印加することで、Ａｌストラップの一方の端部下面と半導体チップ１３の第２電極１５の上面、Ａｌストラップの他方の端部下面とリード端子、半導体チップ１３の第１電極１４の下面とアルミニウム膜１２の上面１２ｂ、アルミニウム膜下面１２ａとリードフレーム１１のアイランド部１１ａとを一度の超音波印加工程にて超音波接続することができるため、工程削減が可能である。
【００５５】
また、樹脂１７のモールドも、リードフレーム１１の底面を露出させる片面モールドであっても良い。
【００５６】
更に、半導体チップ１３が縦型のパワーＭＯＳトランジスタの場合について説明したが、その他の半導体チップ、例えばバイポーラトランジスタやダイオードであっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体装置の構造を示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係るダイボンディング装置の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図４】本発明の実施例１に係るダイボンディング状態を示す模式図。
【図５】本発明の実施例２に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１０  半導体装置
１１  リードフレーム
１２  アルミニウム膜
１３  半導体チップ
１４  第１電極
１５  第２電極
１６  ワイヤ
１７  樹脂
３０  ダイボンディング装置
３１  基板供給部
３２  半導体部品供給部
３３  接合材供給部
３４  接合材載置部
３５  半導体部品載置部
３６  超音波接合部
３７  基板収納部
３８ａ〜３８ｆ  搬送路
４０  超音波発信器
４１  ボンディングツール
４１ａ  凹部
４２、４４  等価ボンディングツール
４３、４５  接合面
【図１】
2007250566.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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