(57)【要約】【課題】水素の吸着によるボイドの発生を防止した半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体素子１１のはんだ付け面に電極部３０が形成され、その電極部３０と絶縁基板との間にすずからなる素子下はんだ１２を配置し、素子下はんだ１２の溶融によるはんだ付けによって半導体素子１１と絶縁基板とを接合させたものであって、電極部３０は、真ん中に電極層２２を挟んで、その電極層２２と半導体素子１１との密着性を良くする密着層３１と、電極層２２の酸化を防止する酸化防止層２３とを備えたものであり、密着層３１が水素を吸着しない材質によって形成された半導体装置１。【選択図】        図３
2009070923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子のはんだ付け面に電極部が形成され、その電極部と絶縁基板との間にすずからなる素子下はんだを配置し、素子下はんだの溶融によるはんだ付けによって半導体素子と絶縁基板とを接合させた半導体装置において、
前記電極部は、真ん中に電極層を挟んで、その電極層と半導体素子との密着性を良くする密着層と、電極層の酸化を防止する酸化防止層とを備えたものであり、前記密着層が水素を吸着しない材質によって形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載する半導体装置において、
前記密着層は、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）またはＣｏ（コバルト）によって形成されたＣｒ層、Ｍｏ層またはＣｏ層のいずれかであることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を絶縁基材にはんだ付けした半導体装置に関し、特に、鉛フリーはんだを使用したものについて接合部におけるボイドの生成を抑えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｉなどのはんだ付け用電極が形成されたＩＣチップなどの半導体素子を絶縁基板に接合する場合は、例えば、半導体素子のはんだ付け面が研削され、洗浄した後に、はんだ付け面にはんだ付け用電極が形成される。そして、はんだ付け用電極と基材との間にはんだが配置され、リフローはんだ付けによって接合が行われる。半導体装置では、はんだ接合部においてボイド（空洞）が発生すると、接触面積の減少によって電気抵抗が増加し、発熱量が多くなるなどの問題につながってしまう。
【０００３】
そこで、下記特許文献１には、還元性ガス雰囲気中の水素の量によってボイドの発生量が左右されることを見出し、少しでも高いリフロー温度を確保するため、リフロー時の還元性ガスにおける水素濃度を１％以上５％以下として、たとえば３００℃のリフロー温度にて約３分間以上加熱してはんだ付けを行うことが記載されている。
【特許文献１】特開２００７−０５９７６３号公報
【特許文献２】特開２００１−２１７２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来における半導体装置では、還元性ガスの水素濃度やリフロー温度を管理しても完全にボイドを防止することができなかった。また、水素濃度やリフロー温度の管理を行った製造方法では、その管理制御にコストがかかったり、生産能力を低下させることになってしまう。一方で、はんだ中のＰｂを全廃したＰｂフリー化が推進されている現状においては、ボイドの発生は深刻な問題である。従って、より簡単な方法によってボイドの発生を防止した半導体装置の提供が望まれる。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、水素の吸着によるボイドの発生を防止した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】
【０００６】
本発明の半導体装置は、半導体素子のはんだ付け面に電極部が形成され、その電極部と絶縁基板との間にすずからなる素子下はんだを配置し、素子下はんだの溶融によるはんだ付けによって半導体素子と絶縁基板とを接合させたものであって、前記電極部は、真ん中に電極層を挟んで、その電極層と半導体素子との密着性を良くする密着層と、電極層の酸化を防止する酸化防止層とを備えたものであり、前記密着層が水素を吸着しない材質によって形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記密着層が、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）またはＣｏ（コバルト）によって形成されたＣｒ層、Ｍｏ層またはＣｏ層のいずれかであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
よって、本発明によれば、半導体素子を絶縁基板に、はんだ付けによって接合させる際、還元ガスに使用される水素が電極部の密着層に吸着することがないため、水素濃度やリフロー温度をボイド発生に対応して管理しなくても、素子下はんだへは水素が放出されないため、はんだ部分にボイドが発生しない半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明に係る半導体装置について、その一実施形態を以下に説明する。ここで、図１は、半導体装置の構造を示した図である。
接合構造体である半導体装置１は、図１に示すように、半導体素子１１が素子下はんだ１２を介して絶縁基板１３の回路パターンに接合される。半導体素子１１は、シリコン半導体などの半導体基板にトランジスタなどの素子を、半導体プロセスを用いて製造し、これをカットしてチップ化したものであり、たとえばパワー素子などである。
【０００９】
そして、この半導体素子１１のはんだ付け面には電極部２０が形成されている。これまでの電極部２０は、例えば図（ａ）に示すように、はんだ付け面側にＴｉ（チタン）からなるＴｉ層２１が設けられており、それにＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ層２２、およびＡｕ（金）からなるＡｕ層２３が、スパッタリングなどによって順に成膜して積層されていた。
【００１０】
この場合、電極部２０は、積層された３層の真ん中にあるＮｉ層２２が、はんだ付け用電極として構成されている。また、上層のＴｉ層２１は、半導体素子１１とＮｉ層２２との密着性を確保するためのものであり、下層のＡｕ層２３は、Ｎｉ層２２の酸化を防止するためのものとして構成されている。そして、半導体素子１１は、Ｔｉ層２１に接して重ね合わされ、素子下はんだ１２を介して絶縁基板１３とはんだ接合されている。
【００１１】
そして、近年は、はんだ材としてＰｂフリー化したものが使用されている。本実施形態では、素子下はんだ１２としてＳｎ（スズ）はんだが使用され、例えばＳｎを基成分としたＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉなどが採用される。
【００１２】
図１に示す半導体装置では、図示するように半導体素子１１が、素子下はんだ１２を介して絶縁基板１３上に重ねられ、それらが不図示のヒータ上に配置される。そして、通常のはんだリフローと同様、水素などの還元雰囲気中にて、固相線温度以上に加熱して素子下はんだ１２をリフローさせることにより、はんだ付けが行われ、半導体素子１１と絶縁基板１３とがはんだ接合される。
【００１３】
本実施形態では、こうしたはんだ接合工程におけるボイドの発生を防止する。その際、本願発明者は、はんだ接合におけるボイド発生のメカニズムに着目した。図２は、ボイド発生メカニズムについて、半導体素子１１下面の電極部２０と素子下はんだ１２の断面を模式的に示した図である。ボイド発生のメカニズムは次のようなものである。
【００１４】
先ず、還元雰囲気中にて加熱するとチタンが水素を吸着してしまい、図２（ａ）に示すようにＴｉ層２１に水素Ｈが含まれることになる。そして、図２（ｂ）に示す段階ではＡｕが消失していきＳｎとＮｉとは合金を形成し、図２（ｃ）に示す段階でＮｉ層２２が消失してＳｎと合金化したＳｎＮｉ合金層２５が形成される。
【００１５】
このとき、Ｎｉ層２２が消失してもＳｎＮｉ合金層２５が形成されたままであれば、そのＳｎＮｉ合金層２５が、Ｔｉ層２１から素子下はんだ１２へ水素が放出されるのを抑制することになる。その一方で、はんだ中の熱エネルギが大きすぎると、形成されたＳｎＮｉ合金層２５が図２（ｄ）に示すように素子下はんだ１２中に分離してしまい、Ｔｉ層２１から素子下はんだ１２へ水素が放出されることを抑えられなくなってしまいボイドが発生してしまう。
【００１６】
従って、本実施形態では、こうしたボイド発生メカニズムにおける図２（ａ）の工程に着目し、そもそも水素を吸着しない材質を使用してボイドの発生を防止することとした。すなわち、電極部２０におけるはんだ付け面側の密着層を、水素を吸着してしまうＴｉに換えて別の材質で構成することとした。そのための条件としては、水素を吸着しないように水素吸着時には吸熱反応を行うものであること、Ｓｉと化合物を生成するように遷移元素であること、そしてＳｎとの合金を生成しないように状態線図よりＳｎと合金層を形成しないものであることが必要とされる。
【００１７】
そこで、こうした条件をみたすものとしてＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）あるいはＣｏ（コバルト）を使用することが好ましい。そこで、本実施形態の半導体装置では、例えば図３に示す電極部３０のように、密着層をＴｉ層に換えてＣｒ層３１とし、それにＮｉ層２２、およびＡｕ層２３がスパッタリングなどによって順に成膜して積層されたものとする。また、この電極部３０の密着層は、Ｃｒ層３１に換えてＭｏ層あるいはＣｏ層などによって構成するようにしてもよい。
【００１８】
よって、図１に示す電極部２０に換えて電極部３０を使用した本実施形態の半導体装置では、ヒータ上に配置され、通常のはんだリフローと同様、水素などの還元雰囲気中にて、固相線温度以上に加熱して素子下はんだ１２をリフローさせることにより、はんだ付けが行われ、半導体素子１１と絶縁基板３０とがはんだ接合される。
【００１９】
その際、還元ガスに使用される水素が電極部３０のＣｒ層３１に吸着することがないため、図２（ｄ）に示すように、はんだ中の熱エネルギが大きすぎて、ＳｎＮｉ合金層２５が素子下はんだ１２中に分離してしまっても、Ｃｒ層３１から素子下はんだ１２へ水素が放出されるようなことがないため、はんだ部分にボイドが発生してしまうことはない。従って、半導体装置が熱サイクルを受けても耐久性に関する基準も満たすことができる。そして、こうした半導体装置は、従来のように水素濃度やリフロー温度をボイドの発生を考慮して面倒な制御を行うことなく製造することが可能になる。
【００２０】
以上、本発明に係る半導体装置について実施形態を示したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記半導体装置は、半導体素子１１の電極部３０の電極層をＮｉ層で構成したものを示したが、銅や金によって形成されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体装置の構造を示した図である。
【図２】ボイド発生メカニズムについて、半導体素子下面の電極部と素子下はんだを模式的に示した図である。
【図３】実施形態の半導体装置を構成する半導体素子下面の電極部と素子下はんだを示した図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    半導体装置
１１  半導体素子
１２  素子下はんだ
１３  絶縁基板
２２  Ｎｉ層
２３  Ａｕ層
３０  電極部
３１  Ｃｒ層
【図１】
2009070923.tif 000003
【図２】
2009070923.tif 000004
【図３】
2009070923.tif 000005