(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置用部材にアルミニウムを用いて、他の部材と接合する場合に、アルミニウム部材に自然酸化膜が発生するのを抑制した半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウムを含有する第１部材を第２部材に接合する前に、第１部材を砥粒により研磨する工程Ｓ１０と、研磨した第１部材を強アルカリ溶液に晒す工程Ｓ２０と、第１部材を強アルカリ溶液に晒した後、水洗する工程Ｓ３０、とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを含有する第１部材を第２部材に接合する前に、前記第１部材を砥粒により研磨する工程と、
前記第１部材をアルカリ溶液に晒す工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
【請求項２】
研磨後の前記第１部材の算術平均粗さは、前記第１部材を前記アルカリ溶液に晒した後の算術平均粗さより大きい請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１部材を前記砥粒により研磨した後に、前記第１部材を前記アルカリ溶液に晒す請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記アルカリ溶液に晒した後、前記第１部材を水洗する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２部材は、銅、金、白金、ニッケル、アルミニウム、パラジウム、およびチタンの少なくともいずれかを含有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１部材をアルカリ溶液に晒した後、
前記第１部材と前記第２部材とを半田接合、超音波接合、拡散接合、粒子焼結接合、常温接合、ロー付接合、および摩擦撹拌接合のいずれかによって接合する請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置に用いられる部材として、ヒートシンクやボンディングワイヤがある。これらの材料として、アルミニウム（Ａｌ）が用いられることがある。
【０００３】
しかし、アルミニウムは、自然酸化膜を形成し易い。そのため、アルミニウム部材を別の部材に、例えば、半田接合するときには、一般的にフラックスを使用する。しかし、フラックスの洗浄が不十分であると、フラックスが残存した部分から半田材の腐食が起きる。
【０００４】
一方、自然酸化膜の発生を抑えるために、アルミニウム部材の表面をニッケル（Ｎｉ）でコーティングする方法がある。しかし、この方法では、コーティング工程が増える分、処理費用および製造工程が増えてしまう。
【０００５】
また、アルミニウムを他の材料に置き換える方法がある。例えば、銅からなるボンディングワイヤがある。しかし、銅ワイヤは、柔軟性に欠け、半導体基板に余分な応力を印加される場合がある。この対策として、電極表面に緩衝材としてのアルミニウム膜を形成する方法がある。しかし、アルミニウムの緩衝材も自然酸化膜を形成し易い。自然酸化膜が存在すると、アルミニウム部材とアルミニウム部材が接合される別の部材との接合部の信頼性が劣ってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−６０１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、接合部の信頼性が向上する半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の半導体装置の製造方法は、アルミニウムを含有する第１部材を第２部材に接合する前に、前記部材を砥粒により研磨する工程と、前記第１部材を前記砥粒により研磨した後、前記部材をアルカリ溶液に晒す工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施形態の半導体装置の製造方法を表すフローである。
【図２】図２は、本実施形態の半導体モジュールの要部を表す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）は、参考例のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。図３（ｂ）は、本実施形態のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｂ）は、自然酸化膜の発生が抑制されるメカニズムの一例を表す図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、自然酸化膜の発生が抑制されるメカニズムの一例を表す図である。
【図６】図６（ａ）は、参考例のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。図６（ｂ）は、本実施形態のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。
【図７】図７（ａ）は、参考例のベース板と被接合材との間に発生するボイドを表す超音波映像である。図７（ｂ）は、本実施形態のベース板と被接合材との間に発生するボイドを表す超音波映像である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【００１１】
図１は、本実施形態の半導体装置の製造方法を表すフローである。
【００１２】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、アルミニウムを含有する第１部材を第２部材に接合する前に、この第１部材を砥粒によって研磨する（ステップＳ１０）。次に、この第１部材を強アルカリ溶液に晒す（ステップＳ２０）。例えば、研磨と強アルカリ溶液とによって、自然酸化膜が除去される。次に、強アルカリ溶液に晒した後、第１部材を水洗する（ステップＳ３０）。なお、水洗の前に、例えば、苛性ソーダ等の弱アルカリ溶液を第１部材に晒してもよい。例えば、苛性ソーダによって、アルミニウムが溶解される。
【００１３】
ここで、第２部材は、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、およびチタン（Ｔｉ）の少なくともいずれかを含有する。また、第１部材と第２部材との接合方法は、例えば、半田材を用いて第１部材と第２部材とを接合する半田接合、第１部材と第２部材とを接触させ、超音波を第１部材と第２部材とに印加して第１部材と第２部材とを接合する超音波接合、第１部材と第２部材とを接触させ、双方の金属を拡散させて接合する拡散接合、第１部材と第２部材との間に粒子を介在させて、粒子を焼結し、第１部材と第２部材とを接合する粒子焼結接合、真空中で第１部材と第２部材とにダングリングボンドを形成させ、活性化した面を持った第１部材と第２部材と接触させて接合する常温接合、第１部材と第２部材とをろう材によって接合するろう付接合等である。あるいは、摩擦摺動接合、摩擦攪拌接合等を利用してもよい。また、摩擦攪拌接合とは、第１部材と第２部材を接触させた後に、先端に突起のある円筒状の工具を回転させながら強い力で第１部材を第２部材に押し付け、第１部材から突起部を第２部材に貫入させ、摩擦熱を発生させて第１部材と第２部材とを接合する方法である。
【００１４】
以下に、本実施形態の半導体装置の製造方法の具体的な方法を説明する。  
第１部材としては、例えば、半導体装置のうちのベース板、ヒートシンク、ボンディングワイヤ等である。
【００１５】
図２は、本実施形態の半導体装置の要部を表す模式的断面図である。
【００１６】
半導体装置１００においては、フィン状のヒートシンク１０の上に、ろう材９を介して、ベース板８が設けられている。ベース板８の上には、接合材５ａを介して、基板１１が設けられている。基板１１は、絶縁基板７と、その上下に設けられた銅箔６ａ、６ｂと、を有する。基板１１の上には、接合材５ｂを介して、半導体素子３が設けられている。
【００１７】
半導体素子３と銅箔６ｂとは、ボンディングワイヤ１を介して電気的に接続されている。接合材５ａ、５ｂ、基板１１、半導体素子３、およびボンディングワイヤ１は、シリコーン４に覆われている。シリコーン４は、樹脂ケース２によって封止される。接合材５ａ、５ｂは、例えば、Ｓｎ系半田材料、Ａｇ粒子焼結材料、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ等のろう材等である。
【００１８】
ベース板８、ヒートシンク１０、ボンディングワイヤ１は、アルミニウム（Ａｌ）を含む。あるいは、図示はしていないが、シリコーン４によって覆われている半導体装置１００のバスバーの材料もアルミニウムを含んでもよい。これらのものが第１部材に相当する。ここで、「アルミニウムを含む」とは、その部材がアルミニウム金属であるほか、アルミニウム合金であることを意味する。また、第２部材が第１部材が接合される電極、金属板等である。
【００１９】
例えば、ベース板８に、図１に表す処理を行った場合の自然酸化膜の発生の程度について説明する。
【００２０】
図３（ａ）は、参考例のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。図３（ｂ）は、本実施形態のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。
【００２１】
図３（ａ）には、強アルカリ溶液のみにベース板を浸漬させた場合のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルが表されている。図３（ａ）では、研磨は行っていない。
【００２２】
図３（ｂ）には、砥粒によってベース板を研磨し、その後、強アルカリ溶液にベース板を浸漬させた場合のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルが表されている。
【００２３】
アルミニウムおよび酸素の濃度は、オージェ電子分光（ＡＥＳ）により測定されている。ベース板８のサンプルとしては、アルミニウム板（サイズ：５０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ）を用いている。
【００２４】
図３（ａ）に表すように、アルミニウム板を強アルカリ溶液のみで表面処理した場合は、例えば、酸素がアルミニウム板の表面から深さ２００ｎｍまで存在していることが分かる。
【００２５】
これに対し、図３（ｂ）に表すように、砥粒によってアルミニウム板を研磨し、その後、アルミニウム板を強アルカリ溶液で表面処理した場合は、例えば、酸素が存在する深さは、１０ｎｍ以下に抑えられている。
【００２６】
研磨は、砥粒を用いた、乾式研磨、湿式研磨、およびバレル研磨のいずれかの手法である。
【００２７】
図４（ａ）〜図５（ｃ）は、自然酸化膜の発生が抑制されるメカニズムの一例を表す図である。
【００２８】
例えば、図４（ａ）には、アルミニウム板に薬液を晒した後の表面粗さが示されている。横軸は、アルミニウム板の表面に対して平行な方向における距離（ｍｍ）であり、縦軸は、アルミニウム板の表面に対して垂直な方向における表面の高さ（μｍ）である。
【００２９】
アルミニウム板に薬液を晒す手順は以下の通りである。  
例えば、アルミニウム板は、４０℃の強アルカリ溶液で約５分間、晒される。  
次に、アルミニウム板は、例えば、室温の純水で約１分間、水洗される。  
次に、アルミニウム板は、例えば、４０℃の苛性ソーダ溶液に、約５分間、晒される。  次に、アルミニウム板は、例えば、４０℃の酸性溶液に、約５分間、晒される。  
次に、アルミニウム板は、例えば、室温の純水で約１分間、水洗される。
【００３０】
このような薬液処理によって、例えば、算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．１４５になる。つまり、アルミニウム板に強アルカリ溶液等の薬液を晒すことで、その表面が粗されることが分かる。算術平均粗さは、表面粗さ測定器により得た粗さ曲線（Ｘ軸がスキャンした長さ、Ｙ軸が粗さ）を、Ｙ軸方向において中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を、スキャンした長さで割った値（単位μｍ）である。
なお、薬液処理前のアルミニウム板の算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．１４５より小さい。
【００３１】
例えば、図４（ｂ）には、アルミニウム板に研磨処理を行い、その後、薬液を晒した後の表面粗さが示されている。
【００３２】
アルミニウム板に薬液を晒す手順は以下の通りである。    
例えば、アルミニウム板は、砥粒によって研磨される。  
次に、アルミニウム板は、４０℃の強アルカリ溶液で約５分間、晒される。  
次に、アルミニウム板は、例えば、室温の純水で約１分間、水洗される。  
次に、アルミニウム板は、例えば、４０℃の苛性ソーダ溶液に、約８分間、晒される。  次に、アルミニウム板は、例えば、４０℃の酸性溶液に、約５分間、晒される。  
次に、アルミニウム板は、例えば、室温の純水で約１分間、水洗される。
【００３３】
このような研磨処理と薬液処理とによって、例えば、算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．４５になる。つまり、アルミニウム板に、研磨と強アルカリ溶液等の薬液処理とを行うことで、その表面がさらに粗されることが分かる。
【００３４】
図５（ａ）〜図５（ｃ）には、アルミニウム板に研磨処理を行い、その後、薬液処理を行った場合のアルミニウム板の表面の模式図を示す。  
例えば、図５（ａ）に表すアルミニウム板１４は、表面１４ｕが平坦な状態にある。また、アルミニウム板１４の表面１４ｕには、自然酸化膜１４ｎが形成されている。
【００３５】
次に、アルミニウム板１４に砥粒を用いて研磨を行うと、図５（ｂ）に表すように、アルミニウム板１４の表面１４ｕが荒れる。さらに、自然酸化膜１４ｎが除去されて、純粋なアルミニウム金属が表面１４ｕに表出する。
【００３６】
次に、アルミニウム板１４を強アルカリ溶液に晒すと、図５（ｃ）に表すように、アルミニウム板１４の表面１４ｕがさらに細かく荒れるのと同時に、研磨で除去できなかった自然酸化膜が除去される。そして、純粋なアルミニウム板１４の表面１４ｕは、強アルカリ溶液によって覆われる。これにより、アルミニウム板１４の表面１４ｕが、例えば、ＯＨ基で終端され、自然酸化膜の膜厚増加が抑えられる。なお、上記のメカニズムは一例であり、このメカニズムには限られない。
【００３７】
参考例のように、強アルカリ溶液のみでアルミニウム板１４を処理すると、当初から表面１４ｕが細かく荒れる。しかし、研磨に比べて、純粋なアルミニウム金属が表面１４ｕに表出し難くなっている。すなわち、強アルカリ溶液のみの処理では、一時的に自然酸化膜が薄くなるに過ぎず、その後再び自然酸化膜の膜厚が増加する。
【００３８】
図６（ａ）は、参考例のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。図６（ｂ）は、本実施形態のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルを表す図である。
【００３９】
図６（ａ）には、参考例のアルミニウム板を、図３（ａ）に示す状態から、さらに、純水に７００時間、浸漬させた場合のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルが表されている。図６（ｂ）には、本実施形態のアルミニウム板を、図３（ｂ）に示す状態から、さらに、純水に７００時間、浸漬させた場合のベース板におけるアルミニウムおよび酸素の深さ方向の濃度プロファイルが表されている。
【００４０】
例えば、図６（ａ）に表す結果では、酸素がアルミニウム板の表面から深さが４００ｎｍまで存在していることが分かる。これに対して、図６（ｂ）に表す結果では、酸素が存在する深さは、２０ｎｍ以下に抑えられている。つまり、本実施形態によれば、長期にアルミニウム板を保管した場合でも、自然酸化膜の生成を抑制できることが分かった。
【００４１】
図７（ａ）は、参考例のベース板と被接合材との間に発生するボイドを表す超音波映像である。図７（ｂ）は、本実施形態のベース板と被接合材との間に発生するボイドを表す超音波映像である。
【００４２】
参考例に係るアルミニウム板を、図３（ａ）に示す状態から被接合材に半田接合によって接合させた場合の接合材（例えば、半田）に発生するボイド像を、図７（ａ）に示す。また、本実施形態に係るアルミニウム板を、図３（ｂ）に示す状態から被接合材に半田接合によって接合させた場合の接合材に発生するボイド像を、図７（ｂ）に示す。
【００４３】
例えば、図７（ａ）に表す結果では、接合材１７中のボイド１５の径は大きく、ボイド１５が多数発生していることが分かる。この要因は、図７（ａ）に表す結果では、厚い自然酸化膜を除去するために、多量のフラックスを用いている。このため、フラックス内に存在しているガスが膨張し、径が大きいボイド１５が発生したと考えられる。このようなボイド１５が接合材に存在すると、ボイド１５を起点としてアルミニウム板と被接合材とか剥がれる可能性がある。
【００４４】
これに対し、図７（ｂ）に表す結果では、接合材１８中のボイド１６は小さく、その数も減少している。図７（ｂ）に表す結果では、自然酸化膜を除去するために、多量のフラックスを要しない。これにより、ボイド１６の発生が抑えられる。換言すれば、厚さが２０ｎｍ以下の自然酸化膜を持ったアルミニウム板を用いれば、被接合材内のボイド発生が抑えられ、良好に被接合材と接合できる。
【００４５】
このように、アルミニウム部材の表面酸化膜の形成を抑制することにより、長時間にわたる接合信頼性が維持される。また、アルミニウム部材と被接合材との間の熱伝導率が高くなる。これにより、半導体装置の長期使用が可能になる。また、半導体装置の保存に関し、特別な管理（例えば、窒素雰囲気管理、減圧環境下での保管）を必要としない。従って、半導体装置のコストダウンを図ることができる。
【００４６】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００４７】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１  ボンディングワイヤ、  ２  樹脂ケース、  ３  半導体素子、  ４  シリコーン、  ５ａ、５ｂ  接合材、  ６ａ、６ｂ  銅箔、  ７  絶縁基板、  ８  ベース板、  ９  ろう材、  １０  ヒートシンク、  １１  基板、  １４  アルミニウム板、  １４ｃ  凹部、  １４ｎ  自然酸化膜、  １４ｕ  表面、  １５、１６  ボイド、  １７、１８  接合材、  １００  半導体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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【図７】
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