JP2013125769A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップと導電パターン付絶縁基板の接合において、安定した強固な焼結層を形成して高信頼性の半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップ６と導電パターン付絶縁基板２を焼結金属ペースト５を用いて接合する場合、半導体チップ６の中央部から加熱し、中央部の温度を高くすることによって、半導体チップ６の中央部から焼結金属ペースト５に入っている分散材の分解、有機成分の揮発、焼結が開始される。そのため、分解ガス、揮発ガスが半導体チップ６の全域に残留せず、金属粒子間の融着が促進され、安定した強固な焼結層を形成できる。その結果、高い信頼性の半導体装置を形成することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、接合材料に焼結金属ペーストを用いるＳｉＣデバイスなど高温で動作する半導体装置の製造方法に関するものである。

図７は、従来の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置５００は、半導体チップ６、導電パターン付絶縁基板２、放熱ベース１５をボンディングワイヤ１７やはんだ３２などの接合材により接合した構造となっている。

近年、半導体装置は小型軽量化とともに高機能化に伴い半導体素子の回路の高集積化や、高温動作が可能なＳｉＣデバイス（≧２００℃）などの半導体装置への適用に向けた開発が進められており、高温動作環境下で高い信頼性が求められている。

半導体装置５００における半導体チップ６と導電パターン付絶縁基板２間、導電パターン付絶縁基板２と放熱ベース１５間の接合材には、これまではんだ３２（ＳｎＳｂ系、ＳｎＡｇ系など）が多く採用されてきた。しかし、高温動作化に伴い動作温度ははんだ３２の融点に近づきつつあり、信頼性の低下が懸念されている。

そこで、高温動作化に対応できる接合材として導電性接着剤や焼結作用を利用した焼結金属ペーストの適用が検討されている。この焼結金属ペーストを半導体装置の接合材として用いると３００℃以上の高温動作が可能になる。

この焼結金属ペーストの接合方法として、電気炉やホットプレートなどの加熱装置を用いて、加圧せずに加熱する接合方法やヒータを取り付けた加熱治具と加熱ステージを用いて加圧加熱する接合方法がある。

図８は、ヒータを取り付けた加熱治具と加熱ステージを用いて加圧加熱する接合方法を説明する図である。加熱ステージ３１上に導電パターン付絶縁基板２を載置し、導電パターン付絶縁基板２の導電パターン４上にはんだ３２を介して半導体チップ６を載置する。この半導体チップ６上に上部加熱治具３３を載置し、加圧力３４を加えながら加熱してはんだ３２接合する。尚、図中の符号の３は導電パターン付絶縁基板２の裏面導電膜である。

この加圧加熱する接合方法として、特許文献１および特許文献２では、接合材に焼結金属ペーストを用い、この焼結金属ペーストの供給から接合に関する製造方法が記載されている。

特開２００７−１０９８３３号公報 特開２００７−４４７５４号公報

しかし、前記の特許文献１および特許文献２の接合方法を用いて加熱すると、半導体チップの外周部から温度が上がりやすく、半導体チップの外周部から接合（焼結）が開始される。半導体チップの外周部から温度が上がりやすくなるのは、上部加熱治具３３が半導体チップ６に接触すると半導体チップ６の４角のエッジ部から加熱されるためである。このように、半導体チップ６の中央部が外周部より温度が低いため、焼結金属ペーストに含まれる有機分散材、分散材捕捉材の分解ガス、および前記の材料の粘性を保持する揮発性有機成分の揮発ガスが半導体チップ６の中央部で残留しやすくなる。

その結果、半導体チップ６の中央部では焼結金属ペーストに含まれる金属粒子間の融着が阻害され、半導体チップ６の中央部では焼結不足が発生し易くなる。そのため、焼結内部に接合欠陥（ボイドなどの空洞など）が多数発生して安定した強固な焼結層３５を形成することが困難になり、半導体装置５００の信頼性を低下させる。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、安定した強固な焼結層を形成して高い信頼性の半導体装置の製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、金属粒子、該金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材，および前記の材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成になる焼結金属ペーストを用いて、少なくとも導電パターン付絶縁基板の導電パターンと半導体チップの裏面電極とを接合する半導体装置の製造方法であって、前記半導体チップの表面側に配置される加熱治具の前記半導体チップの表面に当接される加熱面が、四角形のリング状の粗さ面を有し前記半導体チップの外周部に前記粗さ面が接するように配置され、前記半導体チップの中央部が外周部に比べて温度を高い状態にする製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記加熱治具の加熱面が、前記半導体チップの外周部に接する箇所の粗さが半導体チップの中央部に接する箇所に比べて粗いとよい。

また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記加熱治具の加熱面が、半導体チップの外周部に接する箇所にスリットを設けるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、金属粒子、該金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材，および前記材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成からなる焼結金属ペーストを用いて、少なくとも導電パターン付絶縁基板の導電パターンと半導体チップの裏面電極とを接合する半導体装置の製造方法であって、前記半導体チップの中央部に熱風を吹き付けて、前記半導体チップの中央部が外周部に比べて温度を高い状態にする製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、金属粒子、該金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材，および前記の材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成になる焼結金属ペーストを用いて、少なくとも導電パターン付絶縁基板の導電パターンと半導体チップの裏面電極とを接合する半導体装置の製造方法であって、前記半導体チップの中央部に放射光を照射して、前記半導体チップの中央部が外周部に比べて温度を高い状態にする製造方法とする。

この発明によれば、半導体チップの中央部から加熱し、中央部の温度を高くすることによって、半導体チップの中央部から分散材の分解、有機成分の揮発、焼結が開始される。そのため、分解ガス、揮発ガスが半導体チップの全域に残留せず、金属粒子間の融着が促進され、安定した強固な焼結層を形成できる。その結果、高い信頼性の半導体装置を形成することができる。

この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法であり、（ａ）〜（ｄ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。 図１の製造工程をプロセスフローで表した図である。 図１で用いた上部加熱治具の構成図であり、（ａ）は加熱面の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。 スリット２１を設けた加熱面を示し、（ａ）は上部加熱治具の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。 この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す図である。 この発明の第３実施例の半導体装置の製造方法を示す図である。 従来の半導体装置の要部断面図である。 従来の上部加熱治具と加熱ステージを用いて加圧加熱によりはんだ接合する方法を説明する図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。従来と同一部位には同一の符号を付した。
＜実施例１＞
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法であり、同図（ａ）〜同図（ｄ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。

図２は、図１の製造工程をプロセスフローで表した図である。図中の逆三角形の記号は準備する材料が投入されるプロセスを示し、（ ）内の数字はプロセスの順番を示す。
図１と図２を用いて製造方法を説明する。

図１（ａ）において、加熱ステージ１に導電パターン付絶縁基板２を載置する。この導電パターン付絶縁基板１は絶縁基板２ａの裏面に裏面導電膜３が形成され、おもてには導電パーン４が形成されている。

つぎに、図１（ｂ）において、導電パターン４上に焼結金属ペースト５を塗布し（図２の（１））、乾燥させた（図２の（２））後、その上に半導体チップ６を載置する（乾燥は半導体チップを載置した後でも構わない）（図２の（３））。続いて、半導体チップ６上に上部加熱治具７を載置し、該上部加熱治具７を下方へ加圧力８を加え、加熱ステージ１、導電パターン付絶縁基板２、焼結金属ペースト５および半導体チップ６を密着させる。続いて、加熱ステージ１と上部加熱治具７を昇温し、焼結金属ペースト５を溶融させる。上部加熱治具７の加熱面１１には粗い面１２が配置されている。この加熱ステージ１と上部加熱治具７にはヒーターが設置されている。この焼結金属ペースト５は、金属粒子、この金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材および前記の材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成である。

つぎに、図１（ｃ）において、加熱ステージ１と上部加熱治具７を降温して、前記の焼結金属ペースト５を固化させ、半導体チップ６と導電パターン付絶縁基板２の導電パターン４を接合する（図２の（４））。続いて、接合された半導体チップ６と導電パターン付絶縁基板２を上部加熱治具７および加熱ステージ１から外して取り出す。

つぎに、図１（ｄ）において、導電パターン付絶縁基板２と放熱ベース１５を半田１６で接合し（図２の（６））、半導体チップ６と導電パターン４をボンディングワイヤ１７で接続し（図２の（７））、樹脂ケース１８を取り付けて（図２の（８））ゲル１９を充填し（図２の（９））ケース蓋１８ａを固定して（図２の（１０））半導体装置１００は完成する。ここまでが図２の（１０）までのプロセスである。

焼結金属ペースト５を接合材に用いることで、半導体装置１００の動作温度を３００℃以上の高温にすることができる。半導体チップ６としてはＳｉＣ基板などを用いて形成したＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）チップやショットキーバリアダイオードチップなどがある。

図３は、図１で用いた上部加熱治具の構成図であり、同図（ａ）は加熱面の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
上部加熱治具７において、その加熱面１１は半導体チップ６の表面に接触させる。この加熱面１１を通して半導体チップ６と焼結金属ペーストは加熱される。この加熱には下方に配置される加熱ステージ１も加わる。半導体チップ６の外周部付近に接触する加熱面１１には、半導体チップ６との接触面積を小さくするため、微小な隙間を多数形成した粗い面１２が配置されている。粗さは、例えば、凹凸の高さで約０．１ｍｍ程度、凹凸のピッチが０．１ｍｍ程度である。また、粗い面１２は四角形のリング状をしており、半導体チップ６の外周部はこのリング状の粗い面１２内に位置するように配置する。

半導体チップ６の外周部に位置する加熱面１１を粗い面１２とすることで、半導体チップ６の外周部への熱伝導を小さくすることができる。そのため、半導体チップ６の中央部が外周部に比べて温度が上がりやすくなり、半導体チップ６の全域で分解ガス、揮発ガスの残留を防ぐことができる。

その結果、焼結金属ペースト５に含まれる金属粒子同士の融着が、半導体チップ６の全域で促進され、安定した強固な焼結層２０が形成され高い信頼性の半導体装置１００とすることができる。

図４は、図３のように粗い面１２を形成する代わりにスリット２１を設けた加熱面１１を示し、同図（ａ）は上部加熱治具の要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。スリット２１は四角形のリング状をしており、半導体チップ６の外周部をこの帯状のスリット２１内に位置するように配置する。

この場合も半導体チップ６の外周部が位置する加熱面１１にスリット２１が形成されているため、半導体チップ６の外周部への熱伝導を小さくすることができる。そのため、図１と同様の効果を得ることができる。
＜実施例２＞
図５は、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す図である。これは，加圧しない接合方法であり、半導体チップ６の中央部のみに熱風２２を吹き付ける。熱風２２はノズル２３を通して半導体チップ６の中央部に吹き付けられる。このノズル２３の開口部１７の寸法が数ｍｍ〜数十ｍｍΦ程度である。また、熱風２２には空気や不活性ガスである窒素ガスなどを利用するとよい。こうすることで、半導体チップ６の中央部が外周部に比べて温度が上がり、半導体チップ６の全域で分解ガス、揮発ガスの残留を防ぐことができる。その結果、半導体チップ６の全域で金属粒子間の融着が促進され、安定した強固な焼結層２０を形成できる。
＜実施例３＞
図６は、この発明の第３実施例の半導体装置の製造方法を示す図である。この図は，光加熱（放射熱）による加熱方法であり、放射光２４を反射ミラー２５により集光することで半導体チップ６の中央部のみを加熱する方法を示す。勿論、レンズで集光する場合もある。

本加熱方法は加圧しない接合方法であり、光加熱に用いられる光源２６の放射光２４にはレーザー光や赤外線ランプなどがある。
この場合も、半導体チップ６の中央部が外周部に比べて温度が上がり、半導体チップ６の全域で分解ガス、揮発ガスの残留を防ぐことができる。その結果、半導体チップ６の全域で金属粒子間の融着が促進され、安定した強固な焼結層２０を形成できる。

１ 加熱ステージ
２ 導電パターン付絶縁基板
２ａ 絶縁基板
３ 裏面導電膜
４ 導電パターン
５ 焼結金属ペースト
６ 半導体チップ
７ 上部加熱治具
８ 加圧力
１１ 加熱面
１２ 粗い面
１５ 放熱ベース
１６ はんだ
１７ ボンディングワイヤ
１８ 樹脂ケース
１８ａ ケース蓋
１９ ゲル
２０ 焼結層
２１ スリット
２２ 熱風
２３ ノズル
２４ 放射光
２５ 反射ミラー
２６ 光源
１００ 半導体装置

Claims (5)

1. 金属粒子、該金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材，および前記の材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成になる焼結金属ペーストを用いて、少なくとも導電パターン付絶縁基板の導電パターンと半導体チップの裏面電極とを接合する半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体チップの表面側に配置される加熱治具の前記半導体チップの表面に当接される加熱面が、四角形のリング状の粗さ面を有し前記半導体チップの外周部に前記粗さ面が接するように配置され、前記半導体チップの中央部が外周部に比べて温度を高い状態にすることを特徴とした半導体装置の製造方法。
2. 前記加熱治具の加熱面が、前記半導体チップの外周部に接する箇所の粗さが半導体チップの中央部に接する箇所に比べて粗いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記加熱治具の加熱面が、半導体チップの外周部に接する箇所にスリットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 金属粒子、該金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材，および前記材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成からなる焼結金属ペーストを用いて、少なくとも導電パターン付絶縁基板の導電パターンと半導体チップの裏面電極とを接合する半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体チップの中央部に熱風を吹き付けて、前記半導体チップの中央部が外周部に比べて温度を高い状態にすることを特徴とした半導体装置の製造方法。
5. 金属粒子、該金属粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材、分散材捕捉材，および前記の材料の粘性を保持する揮発性有機成分の混合組成になる焼結金属ペーストを用いて、少なくとも導電パターン付絶縁基板の導電パターンと半導体チップの裏面電極とを接合する半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体チップの中央部に放射光を照射して、前記半導体チップの中央部が外周部に比べて温度を高い状態にすることを特徴とした半導体装置の製造方法。