JP2018085421A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１金属層のクラックを抑制する技術を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体基板２０と、半導体基板２０の表面を覆う第１金属層３０と、第１金属層３０の表面を覆う第２金属層３２と、第２金属層３２の表面の一部を覆う絶縁層３４と、絶縁層３４の表面と絶縁層３４に覆われていない第２金属層３２の表面に跨る範囲を覆うはんだ接合用金属層３６、を備えている。第２金属層３２のヤング率は、第１金属層３０のヤング率より高い。【選択図】図２

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に開示の半導体装置は、半導体基板と、第１金属層と、絶縁層と、はんだ接合用金属層を有している。第１金属層は、半導体基板の表面を覆っている。絶縁層は、第１金属層の表面の一部を覆っている。はんだ接合用金属層は、絶縁層に覆われていない第１金属層の表面を覆っている。はんだ接合用金属層にはんだが接合されることで、はんだ接合用金属層を介してはんだと第１金属層が接続される。製造誤差等によってはんだ接合用金属層と絶縁層との間に隙間が生じると、その隙間に第１金属層が露出し、第１金属層の信頼性が低下する。したがって、はんだ接合用金属層と絶縁層との間に隙間が生じないように、はんだ接合用金属層の一部が絶縁層上に乗り上げている。したがって、絶縁層の端部が接合用金属層によって覆われている。

特開２０１５−２３３０３５号公報

半導体装置の温度が上昇することで、半導体装置を構成する各部材が熱膨張する。特許文献１の半導体装置では、絶縁層の端部が、絶縁層と第１金属層とはんだ接合用金属層が互いに接する三重接触部となっている。絶縁層と第１金属層とはんだ接合用金属層を構成する材料の線膨張係数が互いに異なるので、半導体装置の温度上昇時に三重接触部（すなわち、絶縁層の端部）に応力が集中する。絶縁層の端部に高い応力が繰り返し加わると、絶縁層の端部の周辺（すなわち、中央部と外周部の境界周辺）の第１金属層にクラックが生じる場合がある。本明細書では、第１金属層のクラックを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面を覆う第１金属層と、第１金属層の表面を覆う第２金属層と、第２金属層の表面の一部を覆う絶縁層と、絶縁層の表面と絶縁層に覆われていない第２金属層の表面に跨る範囲を覆うはんだ接合用金属層、を備えている。第２金属層のヤング率は、第１金属層のヤング率より高い。

なお、本明細書において、はんだ接合用金属層は、はんだに対して濡れ性を有する金属層を意味する。

上記の半導体装置では、第１金属層の表面が第２金属層に覆われている。また、絶縁層の表面と絶縁層に覆われていない第２金属層の表面に跨る範囲が、はんだ接合用金属層に覆われている。このため、この半導体装置では、絶縁層の端部が、絶縁層と第２金属層とはんだ接合用金属層が互いに接する三重接触部となっている。三重接触部には第１金属層が位置していない。したがって、第１金属層に高い応力が加わることを抑制することができる。また、第２金属層は、第１金属層よりもヤング率が高いため、第１金属層と比較して、第２金属層にクラックが生じることを抑制することができる。

実施例１の半導体装置の縦断面図。 図１の範囲ＩＩの拡大断面図。 従来の半導体装置の図２に対応する部分の断面図。 実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例１の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例２の半導体装置の拡大断面図（図２に対応）。 実施例２の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例２の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例２の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例２の半導体装置の製造工程の説明図。 実施例２の半導体装置の製造工程の説明図。

図１に示す実施例１の半導体装置１０は、上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０、下部電極板２４及び樹脂層２６を有している。半導体基板２０は、主にシリコンによって構成されている。図１には示していないが、半導体基板２０の上面には、電極層、絶縁層等が設けられている。また、図１には示していないが、半導体基板２０の下面には、電極層が設けられている。半導体基板２０の下面に設けられた電極層は、はんだ層２２を介して下部電極板２４の上面に接続されている。半導体基板２０の上面に設けられた電極層は、はんだ層１８を介して銅ブロック１６の下面に接続されている。銅ブロック１６の上面は、はんだ層１４を介して上部電極板１２に接続されている。上部電極板１２及び下部電極板２４は、半導体基板２０に通電するための電極板として機能するとともに、半導体基板２０から放熱するための放熱板としても機能する。上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４からなる積層体の側面は、樹脂層２６によって覆われている。

図２は、図１の範囲ＩＩの拡大断面図である。なお、図２においては、左側が半導体基板２０の中心に近い側であり、右側が半導体基板の外周端に近い側である。以下では、半導体基板２０の中心に近い側（すなわち、図２の左側）を内周側といい、半導体基板の外周端に近い側（すなわち、図２の右側）を外周側という。

半導体基板２０の表面は、第１金属層３０によって覆われている。第１金属層３０は、例えば、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）によって構成されている。第１金属層３０は、半導体基板２０と電気的に接続されている。

第１金属層３０の表面は、第２金属層３２によって覆われている。第２金属層３２は、本実施例では、窒化チタン（ＴｉＮ）によって構成されている。第２金属層３２は、第１金属層３０の表面のほぼ全域を覆っている。第２金属層３２は、第１金属層３０に接続されている。第２金属層３０のヤング率は、第１金属層３０のヤング率より高い。

第２金属層３２の表面の外周側の部分は、絶縁層３４によって覆われている。第２金属層３２の表面の内周側の部分は、絶縁層３４に覆われていない。第２金属層３２上に、絶縁膜３４の内周側の端部３４ａが位置している。絶縁層３４は、例えば、ポリイミドによって構成されている。

絶縁層３４の表面と、絶縁層３４に覆われていない第２金属層３２の表面は、はんだ接合用金属層３６によって覆われている。はんだ接合用金属層３６は、絶縁層３４の表面と絶縁層３４に覆われていない第２金属層３２の表面に跨る範囲を覆っている。はんだ接合用金属層３６によって、絶縁膜３４の内周側の端部３４ａが覆われている。はんだ接合用金属層３６は、はんだ濡れ性を有する金属によって構成されており、例えば、ニッケル（Ｎｉ）によって構成されている。

はんだ接合用金属層３６の表面は、はんだ層１８に接合されている。はんだ層１８は、はんだ接合用金属層３６及び第１金属層３０を介して半導体基板２０に接続されている。

はんだ接合用金属層３６に覆われていない範囲の絶縁層３４の表面（すなわち、絶縁層３４の表面の外周側の部分）は、樹脂層２６に覆われている。また、はんだ層１８の側面及びはんだ接合用金属層３６の側面は、樹脂層２６に覆われている。

半導体装置１０によるクラックの抑制について説明する前に、図３を用いて、従来の半導体装置におけるクラックの発生について説明する。図３は、従来の半導体装置の断面を示している。なお、図３では、実施例１の半導体装置１０の各部に対応する部分に、図２と同じ参照番号が付されている。図３に示す従来の半導体装置は、第２金属層３２を有していない。このため、絶縁層３４に覆われていない範囲の第１金属層３０の表面と絶縁層３４の表面に跨る範囲が、はんだ接合用金属層３６に覆われている。したがって、絶縁層３４の内周側の端部３４ａにおいて、絶縁層３４、はんだ接合用金属層３６及び第１金属層３０が互いに接している。

半導体装置の温度は、半導体装置に通電することで上昇する。また、外部の温度上昇によって、半導体装置の温度が上昇する場合もある。絶縁層３４の端部３４ａにおいて、絶縁層３４、はんだ接合用金属層３６及び第１金属層３０が互いに接している。つまり、端部３４ａにおいて、ポリイミド、Ｎｉ及びＡｌＳｉの三種類の材料が互いに接している。ポリイミド、Ｎｉ及びＡｌＳｉの線膨張係数は互いに異なる。したがって、これらが互いに接している端部３４ａでは、半導体装置の温度が上昇したときに高い熱応力が生じる。端部３４ａに高い熱応力が繰り返し加わると、端部３４ａの周辺で第１金属層３０にクラックが生じる場合がある。

次に、半導体装置１０によるクラックの抑制について説明する。図２に示す実施例１の半導体装置１０では、第１金属層３０の表面が第２金属層３２によって覆われており、絶縁層３４の端部３４ａに第１金属層３０が接していない。すなわち、端部３４ａにおいては、絶縁層３４、はんだ接合用金属層３６及び第２金属層３２が互いに接している。つまり、端部３４ａにおいて、ポリイミド、Ｎｉ及びＴｉＮの三種類の材料が互いに接している。端部３４ａでは、半導体装置１０の温度が上昇したときに、高い熱応力が生じる。しかしながら、第１金属層３０が端部３４ａに接していないので、端部３４ａで生じる高い熱応力が第１金属層３０に加わることを抑制することができる。このため、第１金属層３０にクラックが生じ難い。一方、第２金属層３２は端部３４ａに接しているので、端部３４ａで生じる高い熱応力が第２金属層３２に加わる。しかしながら、第２金属層３２はヤング率が高いため、第２金属層３２にはクラックが生じ難い。このため、端部３４ａを起点として、第２金属層３２と第１金属層３０にクラックが生じることを抑制できる。

次に、実施例１の半導体装置１０の製造方法について説明する。まず、従来公知の方法によって半導体基板２０の表面側の素子構造を形成した後、図４に示すように、スパッタリングによって、半導体基板２０の表面にＡｌＳｉによって構成された第１金属層３０を形成する。次に、図５に示すように、スパッタリングによって、第１金属層３０の表面にＴｉＮによって構成された第２金属層３２を形成する。

次に、半導体基板２０と第１金属層３０の界面の接続性を向上するためにシンタ処理（熱処理）を行う。次に、図６に示すように、スパッタリングによって、絶縁層３４を形成する。第２金属層３２の内周側の部分は、絶縁層３４で覆わずに、露出させる。次に、図示はしていないが、従来公知の方法によって半導体基板２０の裏面側の素子構造を形成し、半導体基板２０の裏面に電極層を形成する。次に、図７に示すように、スパッタリングによって、絶縁層３４の表面と絶縁層３４に覆われていない第２金属層３２の表面に跨る範囲に、Ｎｉによって構成されたはんだ接合用金属層３６を形成する。絶縁層３４の外周側の部分は、はんだ接合用金属層３６で覆わずに、露出させる。次に、図８に示すように、はんだ接合用金属層３６の表面に金（Ａｕ）によって構成された第３金属層３８を形成する。はんだ接合用金属層３６の表面の略全域を第３金属層３８で覆う。

次に、図１に示すように、はんだ層１４、１８、２２を介して上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４を積層し、その積層体をリフロー炉で加熱する。すると、はんだ層１４、１８、２２が一旦溶融し、その後に凝固する。その結果、上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４が互いに接合される。はんだ層１８は、図２に示すように、はんだ接合用金属層３６に接合される。はんだ層１８が溶融するときに、第３金属層３８ははんだ層１８中に拡散して消滅する。したがって、はんだ層１８がはんだ接合用金属層３６に接合される。その後、積層体の周囲を樹脂層２６で覆うことで、図１に示す半導体装置１０が完成する。

半導体装置１０の製造工程においては、第１金属層３０が局所的に形成不良となり、第１金属層３０が一部欠損した状態となる場合がある。このため、シンタ処理の後に第１金属層３０の外観検査が行われることがある。第１金属層３０は、シンタ処理によってその粒径が成長する。粒径が成長した粒子は、欠損箇所との区別が難しく外観検査が困難となる。したがって、より感度の高い検査を行う必要が生じ、外観検査が煩雑となってしまう。上記の製造方法では、第２金属層３２を形成した後に、シンタ処理が行われる。上述したように、シンタ処理によって第１金属層３０の粒径が大きくなろうとする。しかしながら、第２金属層３２は、第１金属層３０よりもヤング率が高いため、第２金属層３２によって第１金属層３０が拘束される。したがって、第１金属層３０が露出している場合と比較して、シンタ処理の際の第１金属層３０の粒径の成長が抑制される。その結果、外観検査が容易となる。また、第２金属層３２は、第１金属層３０と比較して反射率が低い。第１金属層３０が露出している場合と比較して欠損箇所の視認性を向上することができ、外観検査の精度を向上できる。

次に、実施例２の半導体装置について説明する。以下では、実施例１と異なる構成についてのみ説明し、実施例１と同様の構成については、同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

図９に示すように、第１金属層３０の表面は、第２金属層１３２によって覆われている。第２金属層１３２は、はんだ接合用金属層３６によって覆われている範囲においてはＴｉ層１３４によって構成されている。第２金属層１３２は、絶縁層３４によって覆われている範囲においてはＴｉ層１３４と当該Ｔｉ層１３４上に積層されたＴｉＮ層１３６によって構成されている。

実施例２の半導体装置では、絶縁層３４の端部３４ａにおいては、絶縁層３４、はんだ接合用金属層３６及び第２金属層１３２（ＴｉＮ層１３６）が互いに接している。つまり、端部３４ａにおいて、ポリイミド、Ｎｉ及びＴｉＮの三種類の材料が互いに接している。したがって、実施例１の半導体装置１０と同様に、半導体装置の温度が上昇したときに端部３４ａにおいて生じる高い熱応力が第１金属層３０に加わることを抑制することができる。また、実施例２の半導体装置では、Ｔｉ層１３４を介してはんだ接合用金属層３６（Ｎｉ）と第１金属層３０（ＡｌＳｉ）が接続されている。他方、実施例１の半導体装置では、第２金属層３２（ＴｉＮ）を介してはんだ接合用金属層３６（Ｎｉ）と第１金属層３０（ＡｌＳｉ）が接続されている。ＴｉのＡｌＳｉ及びＮｉに対する密着性は、ＴｉＮのＡｌＳｉ及びＮｉに対する密着性よりも高い。したがって、実施例２の構造によれば、第１金属層３０とはんだ接合用金属層３６とを、Ｔｉ層１３４を介してより強固に接続することができる。

次に、実施例２の半導体装置の製造方法について説明する。実施例２では、実施例１の図４に示すように第１金属層３０を形成した後、図１０に示すように、スパッタリングによって、第１金属層３０の表面に第２金属層１３２を形成する。詳細には、第１金属層３０の表面にＴｉ層１３４を形成し、その後、Ｔｉ層１３４の表面にＴｉＮ層１３６を形成する。

次に、シンタ処理（熱処理）を行う。次に、図１１に示すように、スパッタリングによって、絶縁層３４を形成する。第２金属層１３２の内周側の部分は、絶縁層３４で覆わずに、露出させる。次に、実施例１と同様に、従来公知の方法によって半導体基板２０の裏面側の素子構造を形成し、半導体基板２０の裏面に電極層を形成する。次に、図１２に示すように、エッチングによって絶縁層３４に覆われていない部分のＴｉＮ層１３６を除去して、Ｔｉ層１３４を露出させる。次に、図１３に示すように、スパッタリングによって、絶縁層３４の表面と絶縁層３４に覆われていない第２金属層１３２（すなわち、露出させたＴｉ層１３４）の表面に跨る範囲に、Ｎｉによって構成されたはんだ接合用金属層３６を形成する。絶縁層３４の外周側の部分は、はんだ接合用金属層３６で覆わずに、露出させる。次に、図１４に示すように、はんだ接合用金属層３６の表面に、Ａｕによって構成された第３金属層３８を形成する。

その後、実施例１と同様に、はんだ層１４、１８、２２を介して上部電極板１２、銅ブロック１６、半導体基板２０及び下部電極板２４を積層し、その積層体をリフロー炉で加熱する。そして、積層体の周囲を樹脂層２６で覆うことにより、実施例２の半導体装置が完成する。

上記の製造方法では、第２金属層１３２として、Ｔｉ層１３４とＴｉ層１３４上に積層されたＴｉＮ層１３６の積層体を用いている。シンタ処理の際には、第１金属層３０がＴｉ層１３４により拘束されるため、第１金属層３０の粒径の成長が抑制される。シンタ処理後の第１金属層３０の外観検査の際には、第１金属層３０より反射率の低いＴｉＮ層１３６が露出している。このため、第１金属層３０の欠損箇所の外観検査が容易となり、その精度を向上することができる。また、はんだ接合用金属層３６を形成する際には、絶縁層３４に覆われていない部分のＴｉＮ層１３６をエッチングして除去することによりＴｉ層１３４を露出させ、Ｔｉ層１３４上にはんだ接合用金属層３６を形成することができる。上述したように、ＴｉのＡｌＳｉ及びＮｉに対する密着性は、ＴｉＮのＡｌＳｉ及びＮｉに対する密着性よりも高い。このように、上記の製造方法によれば、第１金属層３０の外観検査を容易にするとともに、第１金属層３０とはんだ接合用金属層３６を強固に接続することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体装置
１２：上部電極板
１４：はんだ層
１６：銅ブロック
１８：はんだ層
２０：半導体基板
２２：はんだ層
２４：下部電極板
２６：樹脂層
３０：第１金属層
３２：第２金属層
３４：絶縁層
３４ａ：端部
３６：はんだ接合用金属層
３８：第３金属層

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面を覆う第１金属層と、
   前記第１金属層の表面を覆う第２金属層と、
   前記第２金属層の表面の一部を覆う絶縁層と、
   前記絶縁層の表面と前記絶縁層に覆われていない前記第２金属層の表面に跨る範囲を覆うはんだ接合用金属層、
   を備えており、
   前記第２金属層のヤング率は、前記第１金属層のヤング率より高い半導体装置。
2. 前記第２金属層は、ＴｉＮ層により構成されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２金属層は、前記はんだ接合用金属層により覆われている範囲においてはＴｉ層により構成されており、前記絶縁層により覆われている範囲においてはＴｉ層と前記Ｔｉ層上に積層されたＴｉＮ層により構成されている、請求項１に記載の半導体装置。

Images