JP2019021680A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張に起因する半導体素子の損傷を抑制する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体素子の下面電極に第１接合材を介して第１導体板を接合する工程と、半導体素子の上面電極に第２接合材を介して第２導体板を接合する工程とを備える。下面電極に第１接合材を介して第１導体板が接合される第１接合領域の面積は、第２導体板に第２接合材を介して第２導体板が接合される第２接合領域よりも大きい。半導体素子には、下面電極にレーザ照射をするアニール工程が実施されている。アニール工程では、半導体素子の第１領域に第１の強度を有するレーザを照射する一方で、半導体素子の第１領域を取り囲む第２領域には、第１の強度よりも弱い第２の強度を有するレーザを照射する。あるいは、第２領域にはレーザを照射しない。第１領域と第２領域との間の境界は、平面視において第２接合領域の外周縁よりも中心側に位置する。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、上面電極及び下面電極を有する半導体素子と、下面電極に第１接合材を介して接合される第１導体板と、上面電極に第２接合材を介して接合される第２導体板を備える。この種の半導体装置は、通電時に半導体素子等が発熱することから、半導体装置の温度上昇を抑制するために、冷却器と組み合わせて用いられる。従って、半導体装置の通電と遮断とが繰り返されると、それに同期して半導体装置の温度も上下に変動し、半導体装置は熱膨張と熱収縮とを交互に繰り返す。

特開２０１６−４６４９７号公報

上記した半導体装置では、下面電極に第１接合材を介して第１導体板が接合された第１接合領域の面積が、上面電極に第２接合材を介して第２導体板が接合された第２接合領域の面積よりも大きく、半導体素子の上下で構造が非対称となっている。このような構造であると、半導体装置に生じる熱膨張も半導体素子の上下で非対称となることから、半導体装置の温度が変動したときに、半導体素子が反るように変形することがある。このような変形は、半導体素子に生じる応力を局所的に高めることから、クラックの発生といった半導体素子の損傷を招く要因となり得る。

上記を鑑み、本明細書は、半導体装置の熱膨張に起因する半導体素子の損傷を抑制し得る技術を提供する。

本発明者は、半導体素子に生じる変形及び応力について解析を行い、以下の知見を得た。半導体装置に電流が流れると、各導体板を含む半導体装置の構成要素がそれぞれ熱膨張し、半導体素子の上下に位置する各接合材は外周に向かって移動する。このような熱膨張が繰り返されていくと、半導体素子の上側に位置する第２接合材は、周囲に位置するモールド樹脂等によってその移動が制限されるので、比較的に剛性の低い半導体素子に向けて下方へ移動する。その結果、半導体素子の外周部分は、第２接合材に押圧されて下方へ変位する。その影響を受けて、半導体素子の下側に位置する第１接合材では、外周側に向かう移動が制限されるので（あるいは中心側に向けて押し返されるので）、半導体素子の中心部分は、第１接合材に押圧されて上方へ変位する。このように、半導体素子の外周部分は下方に押されて変位する一方で、半導体素子の中心部分は上方に押されて変位する。その結果、半導体素子では、下方へ変位する外周部分と、上方へ変位する中心部分との間の領域において、比較的に大きな引張応力が生じ得る。

上記した知見により、半導体素子において損傷が生じやすい領域は、大きな引張応力が生じ得る外周部分と中心部分との間の領域であることが判明した。従って、半導体素子の損傷を抑制するためには、少なくとも外周部分と中心部分との間の領域において、半導体素子の強度を高めることが有効である。そのために、本技術ではアニール処理に着目した。一般に、半導体装置の製造では、半導体基板と電極との間において良好なオーミックコンタクトを形成するために、電極を形成した後の半導体素子にアニール処理が行われる。しかしながら、半導体素子を加熱するアニール処理は、半導体素子の強度を低下させるという副次的な影響をもたらす。この点に関して、レーザを用いて半導体素子を局所的に加熱するレーザアニールであれば、半導体素子の強度が必要とされる領域とその他の領域とを区別して、アニール処理の有無又は程度を選択的に変更することができる。即ち、大きな引張応力が生じ得る領域では、アニール処理を省略するか、又はその程度を緩めることで、半導体素子の強度を維持することができる。それに対して、大きな引張応力が生じ得ない領域では、アニール処理を十分に行うことで、半導体基板と電極との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

上記した技術に基づいて、本明細書は半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、上面電極及び下面電極を有する半導体素子を用意する工程と、下面電極に第１接合材を介して第１導体板を接合する工程と、上面電極に第２接合材を介して第２導体板を接合する工程と、を備える。下面電極に第１接合材を介して第１導体板が接合される第１接合領域の面積は、第２導体板に第２接合材を介して第２導体板が接合される第２接合領域よりも大きい。半導体素子を用意する工程には、半導体素子の下面電極にレーザ照射をするアニール工程が含まれる。このアニール工程では、下面電極の第１領域に第１の強度を有するレーザを照射する一方で、下面電極の第１領域を取り囲む第２領域には、第１の強度よりも弱い第２の強度を有するレーザを照射する。あるいは、第２領域にはレーザを照射しない。ここで、第１領域と第２領域との間の境界は、平面視において第２接合領域の外周縁よりも中心側に位置する。

上記した製造方法では、半導体素子を用意する工程において、半導体素子の下面電極にレーザを照射するアニール工程を実施する。このアニール工程では、下面電極の第１領域に第１の強度を有するレーザを照射する一方で、下面電極の第１領域を取り囲む第２領域には、第１の強度よりも弱い第２の強度を有するレーザを照射する。又は、第２領域にはレーザを照射しない。その結果、半導体素子の第２領域では、アニール処理に起因する強度の低下が生じないか、又はその程度が小さく、半導体素子の機械的な強度が維持される。ここで、第２領域は第１領域を取り囲む領域であるとともに、第１領域と第２領域との境界は、平面視において第２接合領域の外周縁よりも中心側に配置される。このような関係により、第２領域には、半導体素子において大きな引張応力が生じ得る領域（即ち、前述した外周部分と中心部分との間の領域）が含まれる。大きな引張応力が生じ得る領域において、半導体素子の強度が維持されることから、半導体素子の損傷が抑制される。その一方で、半導体素子の中心部分が含まれる第１領域では、生じる引張応力が比較的に小さいことから、アニール処理を十分に行うことができ、半導体基板と電極との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

実施例の半導体装置１０の平面図を示す。 図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、半導体装置１０の断面構造を示す。 半導体装置１０の温度変動に伴う変形を模式的に示す。 半導体素子１２に生じる引張応力の解析結果を示す。（Ａ）は半導体装置１０の断面図であり、（Ｂ）は低温時に半導体素子１２に生じる引張応力を示すグラフであり、（Ｃ）は下面電極１６側から半導体素子１２を見た平面図である。 アニール処理における第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の設定例であり、（Ａ）は第１領域Ｒ１を最大に設定した例を示し、（Ｂ）は第１領域Ｒ１を最小に設定した例を示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置１０とその製造方法について説明をする。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、下面側導体板１８、上面側導体板２０、導体スペーサ２２、及びモールド樹脂２４を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂２４内に封止されている。モールド樹脂２４は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂２４を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料であってもよい。

半導体素子１２は、上面電極１４と下面電極１６とを備える。上面電極１４は半導体素子１２の上面１２ａに位置しており、下面電極１６は半導体素子１２の下面１２ｂに位置している。半導体素子１２の具体的な種類や構造は特に限定されない。半導体素子１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子であってよい。また半導体素子１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。上面電極１４及び下面電極１６を構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。

下面側導体板１８は、概して板形状の部材であり、上面１８ａと、上面１８ａとは反対側に位置する下面１８ｂとを有する。下面側導体板１８の上面１８ａは、モールド樹脂２４の内部において、半導体素子１２の下面電極１６とはんだ２６を介して接合されている。これにより、下面側導体板１８は、半導体素子１２と電気的に接続されている。ここで、下面側導体板１８は、本明細書が開示する技術における第１導体板の一例であり、はんだ２６は、本明細書が開示する技術における第１接合材の一例である。下面側導体板１８（即ち、第１導体板の一例）は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料を用いて構成されることができる。また、下面側導体板１８と半導体素子１２との間は、はんだ２６に限られず、他の接合材によって接合されてもよい。

導体スペーサ２２は、概して板形状あるいはブロック形状の部材であり、上面２２ａと、上面２２ａとは反対側に位置する下面２２ｂとを有する。導体スペーサ２２は、モールド樹脂２４内に位置している。導体スペーサ２２の下面２２ｂは、半導体素子１２の上面電極１４とはんだ２８を介して接合されている。これにより、半導体素子１２の上面電極１４は、導体スペーサ２２に電気的に接続されている。導体スペーサ２２は、本明細書が開示する技術における第２導体板の一例であり、はんだ２８は、本明細書が開示する技術における第２接合材の一例である。導体スペーサ２２（即ち、第２導体板の一例）は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料を用いて構成されることができる。また、導体スペーサ２２と半導体素子１２との間は、はんだ２８に限られず、他の接合材によって接合されてもよい。

下面側導体板１８と同様に、上面側導体板２０もまた、概して板形状の部材であり、上面２０ａと、上面２０ａとは反対側に位置する下面２０ｂとを有する。上面側導体板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂２４の内部において、導体スペーサ２２の上面２２ａとはんだ３０を介して接合されている。これにより、上面側導体板２０は、導体スペーサ２２と電気的に接続され、導体スペーサ２２を介して半導体素子１２と電気的に接続されている。上面側導体板２０は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料を用いて構成されることができる。

下面側導体板１８の下面１８ｂは、モールド樹脂２４の外部に露出している。下面側導体板１８は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。同様に、上面側導体板２０の上面２０ａは、モールド樹脂２４の外部に露出している。上面側導体板２０は、導体スペーサ２２を介して半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置１０は、モールド樹脂２４の両面に放熱板がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。

本実施例の半導体装置１０は、通電時に半導体素子１２等が発熱することから、半導体装置１０の温度上昇を抑制するために、冷却器（図示省略）と組み合わせて用いられる。従って、半導体装置１０の通電と遮断とが繰り返されると、それに同期して半導体装置１０の温度も上下に変動し、半導体装置１０は熱膨張と熱収縮とを交互に繰り返す。ここで、半導体素子１２の下面電極１６に、はんだ２６（即ち、第１接合材の一例）を介して下面側導体板１８（即ち、第１導体板の一例）が接合された領域を、第１接合領域Ｃ１とする。また、半導体素子１２の上面電極１４に、はんだ２８（即ち、第２接合材の一例）を介して導体スペーサ２２（即ち、第２導体板の一例）が接合された領域を、第２接合領域Ｃ２とする。両者の面積を比較すると、第１接合領域Ｃ１の面積は、第２接合領域Ｃ２の面積よりも大きくなっており、半導体装置１０の構造は、半導体素子１２の上下で非対称となっている。このような構造であると、半導体装置１０に生じる熱膨張も半導体素子１２の上下で非対称となることから、図３に示すように、半導体装置１０の温度が変動したときに、半導体素子１２が反るように変形することがある。このような変形は、半導体素子１２に生じる応力を局所的に高めることから、クラックの発生といった半導体素子１２の損傷を招く要因となり得る。

ここで、図３（Ｘ）は半導体装置１０の温度が上昇したときの様子を示し、図３（Ｙ）は半導体装置１０の温度が低下したときの様子を示す。このように、半導体装置１０の温度が変動すると、半導体装置１０は、半導体素子１２が反るように変形したり、その反りが戻るように変形したりする。但し、温度が変化する方向（即ち、上昇又は低下）と、半導体素子１２に生じる反りの方向は、図３に例示した態様に限られず、半導体装置１０の具体的な構造や、工業製品としての個体差等に応じて、様々に変化し得る。

本発明者は、半導体素子に生じる変形及び応力について解析を行い、以下の知見を得た。半導体装置１０に電流が流れると、下面側導体板１８及び導体ブロック２２を含む半導体装置１０の構成要素がそれぞれ熱膨張し、半導体素子１２の上下に位置するはんだ２６、２８は外周に向かって移動する。このような熱膨張が繰り返されていくと、半導体素子１２の上側に位置するはんだ２８は、周囲に位置するモールド樹脂２４によってその移動が制限されることによって、比較的に剛性の低い半導体素子１２に向けて下方へ移動する（図３（Ｙ）中の矢印Ｓ２参照）。その結果、半導体素子１２の外周部分Ａ２は、はんだ２８に押圧されて下方へ変位する。その影響を受けて、半導体素子１２の下側に位置するはんだ２６では、外周側に向かう移動が制限されるので（あるいは中心側に向けて押し返されるので）、半導体素子１２の中心部分Ａ１は、はんだ２６に押圧されて上方へ変位する（図３（Ｙ）中の矢印Ｓ１参照）。このように、半導体素子１２の外周部分は下方に押されて変位する一方で、半導体素子の中心部分は上方に押されて変位する。その結果、半導体素子では、下方へ変位する外周部分と、上方へ変位する中心部分との間の領域において、比較的に大きな引張応力が生じ得る。

図４は、半導体素子１２に生じる引張応力をＣＡＥ（Computer aided Engineering）解析によって求めた結果を示す。図４（Ｂ）は、通電とその停止を繰り返すパワーサイクルの回数（１０００回、２０００回、３０００回）ごとに、半導体素子１２に生じる引張応力（低温時）を示し、図４（Ａ）、（Ｃ）は、その引張応力が生じた位置をそれぞれ模式的に示す断面図及び下面電極１６の平面図である。図４から理解されるように、半導体素子１２の下方へ変位する外周部分Ａ２と、上方へ変位する中心部分Ａ１との間の領域Ａ３において、比較的に大きな引張応力が生じる。また、半導体素子の中心部分Ａ１においては、比較的に応力が生じ難いことがわかる。

上記のように、半導体素子１２において損傷が生じやすい領域は、大きな引張応力が生じ得る領域、即ち、外周部分Ａ２と中心部分Ａ１との間の領域Ａ３であることがわかる。従って、半導体素子１２の損傷を抑制するためには、少なくとも外周部分Ａ２と中心部分Ａ１との間の領域Ａ３において、半導体素子１２の強度を高めることが有効である。そのために、本技術では半導体素子１２のアニール処理に着目した。一般に、半導体素子１２の製造工程では、上面電極１４や下面電極１６と半導体基板（図示省略）との間において良好なオーミックコンタクトを形成するために、上面電極１４及び下面電極１６が形成された後の半導体素子１２にアニール処理工程が実施される。半導体素子１２を加熱するアニール処理は、半導体素子１２の強度を低下させるという副次的な影響をもたらす。この点に関して、レーザを用いて半導体素子１２を局所的に加熱するレーザアニールであれば、半導体素子１２の強度が必要とされる領域とその他の領域とを区別して、アニール処理の有無又は程度を選択的に変更することができる。即ち、大きな引張応力が生じ得る領域Ａ３では、アニール処理を省略するか、又はその程度を緩めることで、半導体素子１２の強度を維持することができる。それに対して、大きな引張応力が生じ得ない領域Ａ１では、アニール処理を十分に行うことで、上面電極１４や下面電極１６と半導体基板との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

上記した技術に基づいて、本実施例の半導体装置１０に適用された製造方法を説明する。この製造方法は、上面電極１４及び下面電極１６を有する半導体素子１２を用意する工程と、下面電極１６にはんだ２６を介して下面側導体板１８を接合する工程と、上面電極１４にはんだ２８を介して導体スペーサ２２を接合する工程と、を備える。前述したように、下面電極１６にはんだ２６を介して下面側導体板１８が接合される第１接合領域Ｃ１の面積は、導体スペーサ２２にはんだ２８を介して導体スペーサ２２が接合される第２接合領域Ｃ２よりも大きい。半導体素子１２を用意する工程には、半導体素子１２にレーザ照射をするアニール工程が含まれる。このアニール工程では、図５に示すように、半導体素子１２の第１領域Ｒ１に第１の強度を有するレーザを照射する一方で、半導体素子１２の第１領域Ｒ１を取り囲む第２領域Ｒ２には、第１の強度よりも弱い第２の強度を有するレーザを照射する。あるいは、第２領域Ｒ２にはレーザを照射しない。ここで、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間の境界ＢＬは、平面視において第２接合領域Ｃ２の外周縁よりも中心側に位置する。

上記した製造方法では、半導体素子１２を用意する工程において、半導体素子１２の下面電極１６にレーザを照射するアニール工程を実施する。このアニール工程では、まず下面電極１６の第１領域Ｒ１に第１の強度を有するレーザを照射する。一方で、下面電極１６の第１領域Ｒ１を取り囲む第２領域Ｒ２には、第１の強度よりも弱い第２の強度を有するレーザを照射する。又は、第２領域Ｒ２にはレーザを照射しない。その結果、半導体素子１２の第２領域Ｒ２では、アニール処理に起因する強度の低下が生じないか、又はその程度が小さく、半導体素子の機械的な強度が維持される。ここで、第２領域Ｒ２は第１領域Ｒ１を取り囲む領域であるとともに、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界ＢＬは、平面視において第２接合領域Ｃ２の外周縁よりも中心側に配置される。このような関係により、第２領域Ｒ２には、半導体素子１２において大きな引張応力（特に、最大の引張応力）が生じ得る領域（即ち、前述した外周部分Ａ２と中心部分Ａ１との間の領域Ａ３）が含まれる。大きな引張応力が生じ得る領域において、半導体素子の強度が維持されることから、半導体素子の損傷が抑制される。その一方で、半導体素子の中心部分が含まれる第１領域Ｒ１では、生じる引張応力が比較的に小さいことから、アニール処理を十分に行うことができ、半導体基板と各電極１４、１６との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。

ここで、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界ＢＬの位置は、半導体装置１０の構成や、引張応力の解析結果などに応じて、様々に定めることができる。図５（Ａ）に示す例では、第１の強度（即ち、強い強度）を有するレーザを照射する第一領域Ｒ１が、ほぼ第２接合領域Ｃ２の外周縁に対応する位置まで、最大に拡大されている。この場合、第１領域Ｒ１は、導体スペーサ２２の外形のサイズとほぼ等しい。一方、図５（Ｂ）に示す例では、第１領域Ｒ１が比較的に狭く設定されており、詳しくは、第１領域Ｒ１の大きさが、導体スペーサ２２の外形の２分の１のサイズに設定されている。十分なアニール処理が実施される第一領域Ｒ１が、導体スペーサ２２の外形の少なくとも２分の１以上の大きさに設定されていれば、半導体基板と各電極１４、１６との間に必要とされるオーミックコンタクト性を確保することができる。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０：半導体素子
１２：半導体素子
１２ａ：半導体素子の上面
１２ｂ：半導体素子の下面
１４：上面電極
１６：下面電極
１８：下面側導体板（第１導体板の一例）
１８ａ：下面側導体板の上面
１８ｂ：下面側導体板の下面
２０：上面側導体板
２０ａ：上面側導体板の上面
２０ｂ：上面側導体板の下面
２２：導体スペーサ（第２導体板の一例）
２２ａ：導体スペーサの上面
２２ｂ：導体スペーサの下面
２４：モールド樹脂
２６：はんだ（第１接合材の一例）
２８：はんだ（第２接合材の一例）
３０：はんだ

Claims (1)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   上面電極及び下面電極を有する半導体素子を用意する工程と、
   前記下面電極に第１接合材を介して第１導体板を接合する工程と、
   前記上面電極に第２接合材を介して第２導体板を接合する工程と、
   を備え、
   前記下面電極に前記第１接合材を介して前記第１導体板が接合される第１接合領域の面積は、前記上面電極に前記第２接合材を介して前記第２導体板が接合される第２接合領域の面積よりも大きく、
   前記半導体素子を用意する工程は、前記半導体素子の前記下面電極にレーザを照射するアニール工程を含み、
   前記アニール工程では、前記下面電極の第１領域に第１の強度を有するレーザを照射する一方で、前記下面電極の前記第１領域を取り囲む第２領域には、前記第１の強度よりも弱い第２の強度を有するレーザを照射するか、又はレーザを照射せず、
   前記第１領域と前記第２領域との間の境界は、平面視において前記第２接合領域の外周縁よりも中心側に位置する、
   半導体装置の製造方法。

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