(57)【要約】  熱応力による金属パターンの変形を抑制してヒートサイクルに対する信頼性を向上させることが可能な半導体装置の提供を目的とする。半導体装置は、絶縁基板、金属パターン、微細化領域および半導体チップを含む。金属パターンは、絶縁基板の上面に設けられる。微細化領域は、金属パターンの表面の少なくとも一部領域に設けられる。その微細化領域は、その表面の少なくとも一部領域外の金属パターンに含まれる金属の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む。半導体チップは、金属パターンの微細化領域に実装される。
2021048937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面に設けられる金属パターンと、
前記金属パターンの表面の少なくとも一部領域に設けられ、前記表面の前記少なくとも一部領域外の前記金属パターンに含まれる金属の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む微細化領域と、
前記金属パターンの前記微細化領域に実装される半導体チップと、を備える半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁基板の下面に設けられる金属板をさらに備え、
前記微細化領域における前記金属パターンのビッカース硬度は、前記金属板のビッカース硬度よりも高い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記微細化領域における前記金属パターンのビッカース硬度は、２２以上２９以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記微細化領域は、平面視において、前記金属パターンの端部よりも内側に配置され、
前記金属パターンの前記端部から前記微細化領域の端部までの幅は、前記金属パターンの厚み以上である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
絶縁基板の上面に金属パターンを形成する工程と、
前記金属パターンの表面の少なくとも一部領域に、前記表面の前記少なくとも一部領域外の前記金属パターンに含まれる金属の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む微細化領域を形成する工程と、
前記金属パターンの前記微細化領域に半導体チップを実装する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記微細化領域を形成する工程は、
前記金属パターンの前記表面の前記少なくとも一部領域に粒状物を打ち付けるショットピーニング処理を含む、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ショットピーニング処理は、
開口を含むマスクを、前記開口が前記金属パターンの前記少なくとも一部領域に対応するように被せ、前記マスクの上方から前記粒状物を打ち付けることを含み、
前記マスクの前記開口は、平面視において、前記金属パターンの端部よりも内側に配置され、
前記金属パターンの前記端部から前記開口の端部までの幅は、前記金属パターンの厚み以上である、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記微細化領域を形成する工程は、
前記金属パターンの前記表面の前記少なくとも一部領域に異種金属を添加する処理を含む、請求項５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】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、半導体チップを絶縁層上に形成された回路パターン、すなわち金属パターンに接合層を介して実装される。半導体チップ、絶縁層および接合層など各部品の線膨張係数や大きさが異なるため、半導体装置の温度上昇または温度降下に応じて、各部品に応力が加わる。ひずみが大きい場合には、接合層の破壊が引き起こされ、半導体装置の寿命に短くなる。そのため、接合層周辺の耐ヒートサイクル性能を改善する技術が提案されてきた。例えば、特許文献１に記載されたパワー半導体装置は、半導体素子が実装される導体層の表面に硬化層を有し、信頼性を向上させている。特許文献２に記載されたパワーモジュールは、リードフレームが接合されるセラミック基板上の回路層として、ビッカース硬度が１９以上の回路層を有し、接合信頼性と放熱性能とを改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１８７０８８号公報
【特許文献２】特開２０１７−１５２５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、半導体チップの動作による温度上昇および降下により、絶縁基板上に形成された金属パターンおよびその絶縁基板の線膨張係数差に起因して、熱応力が加わる。例えば、高温時には、金属パターンには圧縮応力が発生する。この圧縮応力の方向に対して４５°方向が最大のせん断応力に対応するため、金属パターンには、その厚み方向に対して４５°の方向にすべりが発生する。金属パターンを構成する金属の結晶粒が大きい場合には、その結晶を貫通するような大きなすべりが発生する。その結果、金属パターンの表面が隆起し、金属パターン上の接合層の品質も劣化する。このような熱疲労が繰り返されることで、半導体装置の寿命は低下する。【０００５】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、熱応力による金属パターンの変形を抑制してヒートサイクルに対する信頼性を向上させることが可能な半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、絶縁基板、金属パターン、微細化領域および半導体チップを含む。金属パターンは、絶縁基板の上面に設けられる。微細化領域は、金属パターンの表面の少なくとも一部領域に設けられる。その微細化領域は、その表面の少なくとも一部領域外の金属パターンに含まれる金属の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む。半導体チップは、金属パターンの微細化領域に実装される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、熱応力による金属パターンの変形を抑制してヒートサイクルに対する信頼性を向上させる半導体装置の提供が可能である。【０００８】
本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態における半導体装置の構成を示す上面図である。
【図３】実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態におけるショットピーニング処理方法の詳細を示すフローチャートである。
【図５】セラミック基板の上方にマスクが被せられた状態を示す上面図である。
【図６】微細化領域におけるビッカース硬度、ヒートサイクルおよびセラミック基板に生じるクラックとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１および図２は、それぞれ、実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図および上面図である。
【００１１】
半導体装置は、ベース板９、金属板７、絶縁基板３、チップ用金属パターン１、外部端子用金属パターン２、微細化領域１Ａ、半導体チップ５および外部端子８を含む。
【００１２】
絶縁基板３は、ここでは、一例としてセラミック基板３Ａである。
【００１３】
チップ用金属パターン１および外部端子用金属パターン２は、セラミック基板３Ａの上面に設けられている。チップ用金属パターン１は、半導体チップ５の実装用のパターンである。外部端子用金属パターン２は、外部端子８の実装用のパターンである。チップ用金属パターン１および外部端子用金属パターン２の材料は、例えば、アルミニウムまたは銅である。
【００１４】
微細化領域１Ａは、チップ用金属パターン１の表面の一部領域に設けられた表面層である。微細化領域１Ａは、平面視において、チップ用金属パターン１の端部よりも内側に配置されている。そのチップ用金属パターン１の端部から微細化領域１Ａの端部までの幅は、チップ用金属パターン１の厚み以上である。
【００１５】
微細化領域１Ａのチップ用金属パターン１に含まれる金属の結晶粒は、その微細化領域１Ａ外のチップ用金属パターン１に含まれる金属の結晶粒よりも小さい。また、微細化領域１Ａにおけるチップ用金属パターン１のビッカース硬度は、微細化領域１Ａ外のチップ用金属パターン１のビッカース硬度よりも高い。
【００１６】
半導体チップ５は、チップ用金属パターン１の微細化領域１Ａ上に、接合層４を介して実装されている。言い換えると、半導体チップ５の直下に、微細化領域１Ａが形成されている。接合層４の材料は、例えば、はんだ、焼結されたＡｇまたは焼結されたＣｕである。半導体チップ５は、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ等のいわゆるワイドバンドギャップ半導体を材料とする基板上に形成されている。半導体チップ５は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ショットキーバリアダイオード等である。半導体チップ５は、例えば、電力用半導体チップ（パワー半導体チップ）である。
【００１７】
外部端子８は、外部端子用金属パターン２上に接合されている。チップ用金属パターン１と外部端子用金属パターン２との間は金属ワイヤ６によって接続されている。
【００１８】
金属板７は、セラミック基板３Ａの下面に接合されている。その金属板７は、ベース板９の表面に、接合材１０を介して接合されている。セラミック基板３Ａの外周を囲うケース（図示せず）とベース板９とによって形成される容器形状の内部に、半導体チップ５が実装されたセラミック基板３Ａが収容されている。外部端子８の先端が外部に突出し、かつ、半導体チップ５が封止されるように、容器形状の内部には、封止材（図示せず）が充填されている。
【００１９】
図３は、実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【００２０】
ステップＳ１にて、セラミック基板３Ａの上面にチップ用金属パターン１および外部端子用金属パターン２を形成する。
【００２１】
ステップＳ２にて、チップ用金属パターン１の表面の一部領域に微細化領域１Ａを形成する。詳細は後述するが、ここでは、ショットピーニング処理によって微細化領域１Ａが形成される。
【００２２】
ステップＳ３にて、チップ用金属パターン１の微細化領域１Ａに接合層４を介して半導体チップ５を実装する。その後、外部端子８を外部端子用金属パターン２に実装し、チップ用金属パターン１と外部端子用金属パターン２との間は金属ワイヤ６によって接続する。そして、セラミック基板３Ａの下面の金属板７とベース板９の表面とを、接合材１０により接合する。ケースとベース板９とによって形成される容器形状の内部に、半導体チップ５およびセラミック基板３Ａを収容し、外部端子８の先端が外部に突出し、かつ、半導体チップ５が封止されるよう、容器形状の内部に、封止材を充填する。
【００２３】
図４は、ステップＳ２におけるショットピーニング処理方法の詳細を示すフローチャートである。
【００２４】
ステップＳ２１にて、開口を含むマスクを、その開口がチップ用金属パターン１の一部領域に対応するように被せる。図５は、セラミック基板３Ａの上方にマスク１１が被せられた状態を示す上面図である。この際、マスク１１の開口１１Ａは、平面視において、チップ用金属パターン１の端部よりも内側に配置される。チップ用金属パターン１の端部から開口１１Ａの端部までの幅は、チップ用金属パターン１の厚み以上である。つまり、マスク１１の開口１１Ａは、チップ用金属パターン１の外周に対し内側にオーバーラップしている。マスク１１は、例えば金属製である。
【００２５】
ステップＳ２２にて、マスク１１の上方から粒状物を打ち付ける。これらステップＳ２１およびＳ２２のショットピーニング処理により、チップ用金属パターン１の表面において高速大歪変形が生じ、ナノ結晶相が形成される。つまり、ショットピーニング処理が施された領域における表面層には、ショットピーニング処理が施されていない領域の結晶粒よりも小さい結晶粒からなるナノ結晶層が形成される。また、その表面層は硬化され、微細化領域１Ａ外のチップ用金属パターン１よりも硬い。また、このステップＳ２２において、マスク１１は、粒状物がセラミック基板３Ａに衝突することを防ぐ。それにより、セラミック基板３Ａの抗折強度の低下を防止する。
【００２６】
以上の製造方法により、図１および図２に示される半導体装置が製造される。
【００２７】
半導体装置は、外部端子８から入力されるゲート信号に基づいて、半導体チップ５がオンオフ制御（スイッチング制御）を行うことによって、電力を制御する。その際、半導体チップ５等で発生する損失の大小に応じて、半導体装置を構成する部品の温度が上昇または降下する。このようなヒートサイクルにおける高温時には、チップ用金属パターン１とセラミック基板３Ａとの線膨張係数差に起因して、チップ用金属パターン１に圧縮応力が発生する。この圧縮応力の方向に対して４５°方向が最大のせん断応力に対応するため、チップ用金属パターン１の厚み方向に対して４５°方向にすべりが生じる。
【００２８】
チップ用金属パターン１に使用されている材料が高純度アルミニウムである場合、成膜時の結晶粒は大きく、例えば、厚み方向に１つ程度の結晶粒によってアルミニウム層が形成される。また、アルミニウムは塑性変形しやすいため、その４５°方向のせん断応力によって、１つの結晶粒を貫通するような大きなすべりが発生する。そのすべりは、アルミニウム層の表面に隆起を形成するため、アルミニウム層上の接合層４の品質を悪化させる。このように半導体チップ５の直下のチップ用金属パターン１の結晶粒が大きい場合、チップ用金属パターン１の隆起および接合層４の品質悪化という熱疲労により、半導体装置の寿命は低下する。
【００２９】
一方で、本実施の形態におけるチップ用金属パターン１は、微細化領域１Ａを有し、その微細化領域１Ａ上の接合層４を介して半導体チップ５は実装されている。そのチップ用金属パターン１の微細化領域１Ａにおいては、微細な結晶粒が積み重なっている。そのため、４５°方向のせん断応力が加わったとしても、１つの結晶粒を貫通するような大きなすべりは発生しにくい。チップ用金属パターン１の表面における隆起の発生は抑制され、微細化領域１Ａ上の接合層４の品質は維持される。その結果、半導体装置の寿命が改善する。
【００３０】
以上をまとめると、本実施の形態における半導体装置は、セラミック基板３Ａ、チップ用金属パターン１、微細化領域１Ａおよび半導体チップ５を含む。チップ用金属パターン１は、セラミック基板３Ａの上面に設けられる。微細化領域１Ａは、チップ用金属パターン１の表面の少なくとも一部領域に設けられる。また、微細化領域１Ａは、その表面の少なくとも一部領域外のチップ用金属パターン１に含まれる金属の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む。半導体チップ５は、チップ用金属パターン１の微細化領域１Ａに実装される。
【００３１】
このような半導体装置は、熱応力によるチップ用金属パターン１の変形を低減してヒートサイクルに対する信頼性を向上させる。すなわち、半導体装置の寿命が改善する。なお、本実施の形態においては、微細化領域１Ａがチップ用金属パターン１の表面の一部領域に形成される例を示したが、その表面の全領域に形成されてもよい。この場合、微細化領域１Ａは、その表面層よりもセラミック基板３Ａ側に位置するチップ用金属パターン１の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む。
【００３２】
また、本実施の形態における微細化領域１Ａは、平面視において、チップ用金属パターン１の端部よりも内側に配置される。チップ用金属パターン１の端部から微細化領域１Ａの端部までの幅は、チップ用金属パターン１の厚み以上である。
【００３３】
微細化領域１Ａは硬度が高いため、その微細化領域１Ａがチップ用金属パターン１の端部まで形成されている場合、その端部からセラミック基板３Ａに生じる応力が大きくなる。本実施の形態における微細化領域１Ａは、上記の構成を有するため、その応力は緩和される。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。
【００３４】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法は、セラミック基板３Ａの上面にチップ用金属パターン１を形成する工程と、チップ用金属パターン１の表面の少なくとも一部領域に、その表面の少なくとも一部領域外のチップ用金属パターン１に含まれる金属の結晶粒よりも小さい結晶粒を含む微細化領域１Ａを形成する工程と、チップ用金属パターン１の微細化領域１Ａに半導体チップ５を実装する工程と、を含む。
【００３５】
このような半導体装置の製造方法は、熱応力によるチップ用金属パターン１の変形を低減してヒートサイクルに対する信頼性を向上させる半導体装置の製造を可能とする。
【００３６】
また、本実施の形態における微細化領域１Ａを形成する工程は、チップ用金属パターン１の少なくとも一部領域に粒状物を打ち付けるショットピーニング処理を含む。
【００３７】
このような半導体装置の製造方法は、硬度が向上し、かつ、結晶粒が微細化した微細化領域１Ａを一度の処理によって形成することを可能にする。
【００３８】
また、本実施の形態におけるショットピーニング処理は、開口１１Ａを含むマスク１１を、その開口１１Ａがチップ用金属パターン１の少なくとも一部領域に対応するように被せ、マスク１１の上方から粒状物を打ち付けることを含む。マスク１１の開口１１Ａは、平面視において、チップ用金属パターン１の端部よりも内側に配置される。チップ用金属パターン１の端部から開口１１Ａの端部までの幅は、チップ用金属パターン１の厚み以上である。
【００３９】
このような半導体装置の製造方法は、ショットピーニング処理によって、セラミック基板３Ａがダメージを受け、その抗折力が低下することを防ぐ。また、粒状物の衝突によってチップ用金属パターン１の端部が削られるなどして、そのパターンサイズが小さくなることを防ぐ。さらに、上記のように、チップ用金属パターン１の端部よりも内側に配置される微細化領域１Ａの形成を可能にする。その結果、半導体装置の信頼性が向上する。つまり、熱疲労による半導体装置の寿命の低下を防止する。
【００４０】
（実施の形態の変形例１）
実施の形態の変形例１における微細化領域１Ａは、チップ用金属パターン１の少なくとも一部領域に異種金属を添加する処理によって形成される。例えば、チップ用金属パターン１の材料が高純度アルミニウムである場合、チップ用金属パターン１の形成時もしくは形成後に、表面の一部領域もしくは全領域に、合金材であるＡ６０６３，Ａ３００３，Ａ５００５のうちいずれかを添加する。添加濃度が２０％を超えると、セラミック基板３Ａへの応力が高くなり、上記と同様の理由により、つまり熱疲労によって半導体装置の寿命が低下する。よって、添加濃度は、２０％以下であることが好ましい。この処理により、チップ用金属パターン１の金属の結晶粒が微細化される。
【００４１】
（実施の形態の変形例２）
実施の形態の変形例２においては、微細化領域１Ａにおけるチップ用金属パターン１のビッカース硬度が、金属板７のビッカース硬度よりも高い。
【００４２】
このような半導体装置は、接合層４への応力を低減し、ひずみの発生を防止する。また、他の部分は低強度であることにより、半導体装置の信頼性が向上する。
【００４３】
また、微細化領域１Ａにおけるビッカース硬度は、２２以上２９以下であることが好ましい。微細化領域１Ａにおけるチップ用金属パターン１のビッカース硬度が２２以上である場合、ヒートサイクルによるチップ用金属パターン１の表面の隆起、およびそれによる接合層４へのダメージが抑制される。
【００４４】
一方で、ビッカース硬度が高すぎる場合、ヒートサイクルによるセラミック基板３Ａへの応力が大きくなるため、半導体装置の寿命は低下する。図６は、微細化領域１Ａにおけるビッカース硬度、ヒートサイクルおよびセラミック基板３Ａに生じるクラックとの関係を示す図である。ここでは、１サイクルは、−４０℃から１５０℃までの１往復の温度変化に対応する。ヒートサイクルが１０００回において、ビッカース硬度が３０の場合は、セラミック基板３Ａにクラックが生じているものの、ビッカース硬度が２９の場合は、クラックが生じていない。微細化領域１Ａにおけるビッカース硬度が、２９以下である場合、セラミック基板３Ａへの応力の増加が抑制されるためのである。
【００４５】
このように、微細化領域１Ａにおけるビッカース硬度が、２２以上２９以下である場合、チップ用金属パターン１の表面の隆起が低減し、かつ、セラミック基板３Ａへの過剰な応力が抑制される。このようにバランスをとることにより、半導体装置の信頼性が向上する。熱疲労による半導体装置の寿命が改善する。
【００４６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【００４７】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００４８】
１  チップ用金属パターン、１Ａ  微細化領域、２  外部端子用金属パターン、３  絶縁基板、３Ａ  セラミック基板、４  接合層、５  半導体チップ、６  金属ワイヤ、７  金属板、８  外部端子、９  ベース板、１０  接合材、１１  マスク、１１Ａ  開口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2021048937.tif 000009
2021048937.tif 000010
2021048937.tif 000011
2021048937.tif 000012