JP2018137290A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＡｌＳｉ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、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆うＡｌＳｉ層と、前記ＡｌＳｉ層の表面の一部を覆う絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の表面の少なくとも一部と前記絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記ＡｌＳｉ層の表面に跨る範囲を覆うニッケル層、を有しており、前記絶縁樹脂層の端面の上部の前記ニッケル層の表面に平坦面が形成されており、前記ＡｌＳｉ層と前記ニッケル層の境界面が、前記絶縁樹脂層の前記端面に接続されている。【選択図】図２

Description

本明細書に開示の技術は、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、ＡｌＳｉ層と、絶縁樹脂層と、ニッケル層を有している。ＡｌＳｉ層は、半導体基板の表面を覆っている。絶縁樹脂層は、ＡｌＳｉ層の表面の一部を覆っている。ニッケル層は、絶縁樹脂層に覆われていない範囲のＡｌＳｉ層の表面を覆っている。ニッケル層は、はんだ接合用の層である。ニッケル層にはんだ層が接合されることで、ニッケル層を介してはんだ層とＡｌＳｉ層が接続される。製造誤差等によってニッケル層と絶縁樹脂層との間に隙間が生じると、その隙間にＡｌＳｉ層が露出し、ＡｌＳｉ層の信頼性が低下する。したがって、ニッケル層と絶縁樹脂層との間に隙間が生じないように、ニッケル層の一部が絶縁樹脂層上に乗り上げている。したがって、絶縁樹脂層の端部が、ニッケル層によって覆われている。

特開２０１５−２３３０３５号公報

特許文献１の半導体装置では、ニッケル層全体が略一定の厚みで形成されているため、ＡｌＳｉ層の表面を覆う範囲から絶縁樹脂層を覆う範囲にかけてニッケル層に段差が存在する。半導体装置の温度が上昇することで、ニッケル層に接合されているはんだ層が熱膨張する。このとき、ニッケル層に存在する段差部分には、絶縁樹脂層側に向かう方向にはんだ層の熱膨張による荷重が加わる。このため、絶縁樹脂層の端部の周辺におけるニッケル層が絶縁樹脂層側へスライドする場合がある。これにより、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層が引っ張られて絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層に高い応力が集中する。絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層にこの応力が繰り返し加わると、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層が局所的に変形し、クラックが生じる場合がある。本明細書では、ＡｌＳｉ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、前記半導体基板の表面を覆うＡｌＳｉ層と、前記ＡｌＳｉ層の表面の一部を覆う絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の表面の少なくとも一部と前記絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記ＡｌＳｉ層の表面に跨る範囲を覆うニッケル層、を有しており、前記絶縁樹脂層の端面の上部の前記ニッケル層の表面に平坦面が形成されており、前記ＡｌＳｉ層と前記ニッケル層の境界面が、前記絶縁樹脂層の前記端面に接続されている。

なお、ＡｌＳｉは、アルミニウム（Ａｌ）とシリコン（Ｓｉ）を含有する合金を意味する。

この半導体装置では、絶縁樹脂層の端面の上部（絶縁樹脂層の端部を覆う範囲）のニッケル層の表面に平坦面が形成されている。したがって、ニッケル層をはんだ接合すると、ニッケル層の平坦面がはんだ層で覆われる。絶縁樹脂層の端部を覆う範囲のニッケル層の表面に平坦面を設けると、絶縁樹脂層の端部を覆う範囲のニッケル層の表面に段差が存在する場合に比べて、はんだ層の熱膨張によってニッケル層に加わる荷重を低減することができる。このため、絶縁樹脂層の端部の周辺でニッケル層が絶縁樹脂層側にスライドすることが抑制される。したがって、絶縁樹脂層の端部の周辺のＡｌＳｉ層に高い応力が集中し難い。このため、この半導体装置では、絶縁樹脂層の端部の周辺でＡｌＳｉ層にクラックが生じ難い。

実施形態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。 実施形態の半導体装置の製造工程の説明図。 実施形態の半導体装置の製造工程の説明図。 実施形態の半導体装置の製造工程の説明図。 実施形態の半導体装置の製造工程の説明図。 変形例の半導体装置の図２に対応する拡大断面図。 変形例の半導体装置の製造工程の説明図。 変形例の半導体装置の図２に対応する拡大断面図。 変形例の半導体装置の製造工程の説明図。

図１に示す実施形態の半導体装置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、絶縁保護膜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２０の外周側に近い側である。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２０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の上面は、ＡｌＳｉ層３０によって覆われている。ＡｌＳｉ層３０は、ＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンを含有する合金）によって構成されている。ＡｌＳｉ層３０は、半導体基板２０と電気的に接続されている。

ＡｌＳｉ層３０の上面の外周側の部分は、絶縁樹脂層３６によって覆われている。ＡｌＳｉ層３０の上面の内周側の部分は、絶縁樹脂層３６によって覆われていない。ＡｌＳｉ層３０上に、絶縁樹脂層３６の端面３６ａが存在している。絶縁樹脂層３６は、例えば、絶縁体の樹脂であるポリイミドによって構成されている。

絶縁樹脂層３６の上面と絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲のＡｌＳｉ層３０の上面に跨る範囲は、ニッケル層３２によって覆われている。ニッケル層３２は、Ｎｉより構成されている。ニッケル層３２は、絶縁樹脂層３６の上面の内周側の部分を覆っている。絶縁樹脂層３６の上面の外周側の部分は、ニッケル層３２に覆われていない。ニッケル層３２によって、絶縁樹脂層３６の端面３６ａが覆われている。ニッケル層３２の上面には平坦面３２ａが形成されている。ＡｌＳｉ層３０とニッケル層３２の境界面は、絶縁樹脂層３６の端面３６ａに接続されている。

ニッケル層３２の上面は、はんだ層１８に接合されている。はんだ層１８は、ニッケル層３２とＡｌＳｉ層３０を介して半導体基板２０に接続されている。ニッケル層３２に覆われていない範囲の絶縁樹脂層３６の上面（すなわち、絶縁樹脂層３６の上面の外周側の部分）は、樹脂層２６によって覆われている。また、はんだ層１８及びニッケル層３２の側面は、樹脂層２６によって覆われている。

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、実施形態の半導体装置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、ニッケル層３２全体が略一定の厚みで形成されているため、ＡｌＳｉ層３０の表面を覆う範囲から絶縁樹脂層３６を覆う範囲にかけてニッケル層３２の表面に傾斜する段差部３２ｂが存在する。

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。以下に、半導体装置の温度上昇時の応力について説明する。まず、図３に示す従来の半導体装置について説明する。図３に示す従来の半導体装置では、半導体装置の温度が上昇することで、ニッケル層３２に接合されているはんだ層１８が熱膨張する。このとき、ニッケル層に存在する段差部３２ｂには、絶縁樹脂層３６側に向かう方向にはんだ層１８の熱膨張による荷重が加わる。このため、絶縁樹脂層３６の端部３６ｂの周辺におけるニッケル層３２が絶縁樹脂層３６上へ乗り上げるように変形する。これにより、絶縁樹脂層３６の端部３６ｂの周辺のＡｌＳｉ層３０が引っ張られて絶縁樹脂層３６の端部３６ｂの周辺のＡｌＳｉ層３０に高い応力が集中する。絶縁樹脂層３６の端部３６ｂの周辺のＡｌＳｉ層３０にこの応力が繰り返し加わると、絶縁樹脂層３６の端部３６ｂの周辺のＡｌＳｉ層３０が局所的に変形し、クラックが生じる。

これに対し、図２に示す実施形態の半導体装置１０では、絶縁樹脂層３６の端面３６ａの上部（絶縁樹脂層３６の端部を覆う範囲）のニッケル層３２の表面に平坦面３２ａが形成されている。したがって、ニッケル層３２をはんだ接合すると、ニッケル層３２の平坦面３２ａがはんだ層１８で覆われる。絶縁樹脂層３６の端部を覆う範囲のニッケル層３２の表面に平坦面３２ａを設けると、絶縁樹脂層３６の端部を覆う範囲のニッケル層３２の表面に段差が存在する場合に比べて、はんだ層１８の熱膨張によってニッケル層３２に加わる荷重を低減することができる。このため、絶縁樹脂層３６の端部の周辺でニッケル層３２が絶縁樹脂層３６側にスライドすることが抑制される。したがって、絶縁樹脂層３６の端部の周辺のＡｌＳｉ層３０に高い応力が集中し難い。このため、この半導体装置１０では、絶縁樹脂層３６の端部の周辺でＡｌＳｉ層３０にクラックが生じ難い。

次に、実施形態の半導体装置１０の製造方法について説明する。まず、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上にＡｌＳｉ層３０を形成する。次に、図５に示すように、ＡｌＳｉ層３０の外周側の部分上に、絶縁樹脂層３６を形成する。より詳細には、絶縁樹脂層３６をウエハの表面全体に成長させ、その後、図５に示すように絶縁樹脂層３６が残存するように、絶縁樹脂層３６をエッチングする。ＡｌＳｉ層３０の内周側の部分は、絶縁樹脂層３６で覆わずに露出させる。次に、図６に示すように、スパッタリングによって、絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲のＡｌＳｉ層３０上（すなわち、ＡｌＳｉ層３０の内周側の部分上）に下部ニッケル層３１ａを形成する。より詳細には、下部ニッケル層３１ａをウエハの表面全体に成長させ、その後、図６に示すように下部ニッケル層３１ａが残存するように、下部ニッケル層３１ａをエッチングする。このとき、下部ニッケル層３１ａの上面の位置が、絶縁樹脂層３６の上面の位置と略一致するように下部ニッケル層３１ａが形成される。次に、図７に示すように、下部ニッケル層３１ａの上面と絶縁樹脂層３６の上面に跨る範囲に上部ニッケル層３１ｂを形成する。より詳細には、上部ニッケル層３１ｂをウエハの表面全体に成長させ、その後、図７に示すように上部ニッケル層３１ｂが残存するように、上部ニッケル層３１ｂをエッチングする。絶縁樹脂層３６の外周側の部分は、上部ニッケル層３１ｂで覆わずに露出させる。このとき、絶縁樹脂層３６の端面３６ａの上部において、上部ニッケル層３１ｂの上面が平坦となるように上部ニッケル層３１ｂが形成される。絶縁樹脂層３６が存在しない範囲では、上部ニッケル層３１ｂと下部ニッケル層３１ａが一体化する。上部ニッケル層３１ｂと下部ニッケル層３１ａによってニッケル層３２が形成される。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、ニッケル層３２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。

上述した半導体装置では、絶縁樹脂層３６の端面３６ａがニッケル層３２によって覆われていたが、図８に示すように、絶縁樹脂層３６の端面３６ａがＡｌＳｉ層３０によって覆われていてもよい。図８に示す半導体装置の製造方法では、上述した実施形態の図６に示す工程に代えて、図９に示すように、絶縁樹脂層３６に覆われていない範囲のＡｌＳｉ層３０上（すなわち、ＡｌＳｉ層３０の内周側の部分上）に上部ＡｌＳｉ層３０ａを形成する。このとき、上部ＡｌＳｉ層３０ａの上面の位置が、絶縁樹脂層３６の上面の位置と略一致するように上部ＡｌＳｉ層３０ａを形成する。これにより、上部ＡｌＳｉ層３０ａが、ＡｌＳｉ層３０と一体化する。その後、上述した実施形態で説明した工程を経ることにより、図８に示す半導体装置が完成する。

また、図１０に示すように、ＡｌＳｉ層３０とニッケル層３２の境界面が絶縁樹脂層３６の端面３６ａの中間高さに接続されるように構成してもよい。図１０に示す半導体装置の製造方法では、上述した実施形態の図６に示す工程に代えて、図１１に示すように、まず、上部ＡｌＳｉ層３０ｂを形成する。このとき、上部ＡｌＳｉ層３０ｂを絶縁樹脂層３６の端面３６ａの中間高さまで形成する。上部ＡｌＳｉ層３０ｂは、ＡｌＳｉ層３０と一体化する。次いで、上部ＡｌＳｉ層３０ｂ上に、下部ニッケル層３１ｃを形成する。このとき、下部ニッケル層３１ｃの上面の位置が、絶縁樹脂層３６の上面の位置と略一致するように下部ニッケル層３１ｃを形成する。その後、上述した実施形態で説明した工程を経ることにより、図１０に示す半導体装置が完成する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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み合わ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み合わ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：ＡｌＳｉ層
３２：ニッケル層
３２ａ：平坦面
３６：絶縁樹脂層
３６ａ：端面

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面を覆うＡｌＳｉ層と、
   前記ＡｌＳｉ層の表面の一部を覆う絶縁樹脂層と、
   前記絶縁樹脂層の表面の少なくとも一部と前記絶縁樹脂層に覆われていない範囲の前記ＡｌＳｉ層の表面に跨る範囲を覆うニッケル層、
   を有しており、
   前記絶縁樹脂層の端面の上部の前記ニッケル層の表面に平坦面が形成されており、
   前記ＡｌＳｉ層と前記ニッケル層の境界面が、前記絶縁樹脂層の前記端面に接続されている、
   半導体装置。
   
   
   
   

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