JP2019110280A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の下面電極と導体部材との間のはんだ付けにおいて、はんだ内部にボイドが形成されることを抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体素子の下面に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を含む下面電極を形成する工程と、半導体素子の下面電極を、Ｓｎを含有するはんだを用いて、導体部材へはんだ付けする工程とを備える。この製造方法におけるはんだ付けでは、Ｎｉ−Ｓｎ合金層とはんだとが一体化して、下面電極に導体部材が接合される。【選択図】図３

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には、半導体装置の製造方法が開示されている。この半導体装置では、Ｓｎ（錫）を含むはんだを用いて、半導体素子の下面電極と導体部材とがはんだ付けによって接合されている。

特開２０１５−１６２６１３号公報

上記のはんだ付けにおいて、半導体素子の下面電極では、下面電極に含まれるＮｉ（ニッケル）とはんだのＳｎとがＮｉ−Ｓｎ（ニッケル−錫）合金層が形成されることで、下面電極と導体部材とが接合される。しかしながら、このＮｉ−Ｓｎ合金層が形成されるときに、下面電極（特に、ニッケル層）からガス（例えば、水素やアルゴン等）が発生する。この発生したガスは、そのままはんだ内部に留まり、凝集することで、比較的大きなボイドが形成される。本明細書は、半導体素子の下面電極と導体部材との間のはんだ付けにおいて、はんだ内部にボイドが形成されること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の製造方法は、半導体素子の下面に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を含む下面電極を形成する工程と、半導体素子の下面電極を、Ｓｎを含有するはんだを用いて、導体部材へはんだ付けする工程とを備える。この製造方法におけるはんだ付けでは、Ｎｉ−Ｓｎ合金層とはんだとが一体化して、下面電極に導体部材が接合される。

上記の製造方法は、半導体素子の下面に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を含む下面電極を形成する工程を備える。この工程は、はんだ付けの工程より前に実施されることから、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を形成する際にガスが発生しても、そのガスを外部へ排出することができる。その後、はんだ付けによりＮｉ−Ｓｎ合金層とはんだとが一体化して、下面電極に導体部材が接合される。このときに、さらにＮｉ−Ｓｎ合金化反応が生じたとしても、先の下面電極を形成する工程（特に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を形成する段階）でガスが放出されているので、ここでのガスの発生は抑制される。これにより、はんだ内部にボイドが形成されることを抑制することができる。

半導体装置１０の内部構造を示す断面図である。 下面１２ｂにＮｉ層４４、Ｓｎ層４６を有する半導体素子１２を用意する工程を示す。 半導体素子１２の下面１２ｂにＮｉ−Ｓｎ合金層４５を形成する工程を示す。 Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５上にＡｕ（金）層４８を形成する工程を示す。 半導体素子１２の下面電極１６と下面側導体板２０との間にはんだ５０を配置する工程を示す。 半導体素子１２の下面電極１６と下面側導体板２０との間をはんだ付けする工程を示す。

図面を参照して、一実施例として半導体装置１０とその製造方法について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は半導体素子１２、導体スペーサ１８、下面側導体板２０、上面側導体板２２、及びモールド樹脂２６を備える。半導体素子１２は、モールド樹脂２６内に封止されている。モールド樹脂２６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２６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とを有する。半導体素子１２は、一例ではあるがＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を採用することができる。但し、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ素子に特別に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子などの他のパワー半導体素子であってもよい。半導体素子１２は、例えばＳｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、又はＧａＮ（窒化ガリウム）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。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。

導体スペーサ１８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。導体スペーサ１８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１８ａと、上面１８ａとは反対側に位置する下面１８ｂとを有する。導体スペーサ１８の上面１８ａは後述する上面側導体板２２の下面２２ｂに、はんだ層３６を介して接合されている。導体スペーサ１８の下面１８ｂは半導体素子１２の上面電極１４に、はんだ層３４を介して接合されている。これにより、導体スペーサ１８は半導体素子１２と電気的に接続されている。導体スペーサ１８は、必ずしも必要とされないが、信号端子（不図示）を半導体素子１２に接続する際のスペースを確保する。

下面側導体板２０及び上面側導体板２２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２０は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２０ａとその上面２０ａの反対側に位置する下面２０ｂとを有する。下面側導体板２０の上面２０ａは、半導体素子１２の下面電極１６にはんだ層３２を介して接合されている。これにより、下面側導体板２０は半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、下面側導体板２０の下面２０ｂは、モールド樹脂２６の外部に露出している。ここで、下面側導体板２０は、本技術における導体部材の一例であるが、当該導体部材を特に限定するものではない。

上面側導体板２２は、例えば、概して板形状あるいは直方体形状の部材であり、上面２２ａとその上面２２ａの反対側に位置する下面２２ｂとを有する。上述したが、上面側導体板２２の下面２２ｂは、導体スペーサ１８の上面１８ａにはんだ３６層を介して接続されている。これにより、上面側導体板２２は、導体スペーサ１８と電気的に接続され、導体スペーサ１８を介して半導体素子１２と電気的に接続されている。本実施例においては、一例ではあるが、上面側導体板２２の上面２２ａは、モールド樹脂２６の外部に露出している。下面側導体板２０及び上面側導体板２２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。即ち、本実施例の半導体装置１０はモールド樹脂２６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。但し、半導体装置１０は両面冷却構造に限定されず、例えば、下面側導体板２０の下面２０ｂ、又は、上面側導体板２２の上面２２ａのいずれか一方の面が、モールド樹脂２６の外部に露出している片面冷却構造を有していてもよい。

図２〜６を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。図２に示すように、本実施例で用意する半導体素子１２の下面１２ｂには、一例ではあるが、Ａｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）層４０、Ｔｉ（チタン）層４２、Ｎｉ層４４が順に積層して形成されている。さらに本実施例では、Ｓｎ層４６がＮｉ層４４上に形成されている。これら各金属層４０、４２、４４、４６は、例えばスパッタリングなどによって形成されてよい。一例ではあるが、このとき形成されているＡｌ−Ｓｉ層４０、Ｔｉ層４２の厚み寸法はそれぞれ、約０．８μｍ、約０．２μｍ程度でよい。また、Ｎｉ層４４の厚み寸法は、例えば約１μｍ程度であってよい。

図３に示すように、上記した半導体素子１２の下面１２ｂのＮｉ層４４及びＳｎ層４６を加熱し、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５を形成する。この加熱処理は、例えばアニール処理などを採用することができる。このようにＮｉ層４４及びＳｎ層４６をアニール処理によって加熱し溶融させると、ＮｉとＳｎが合金化され、ＮｉとＳｎとを含む金属間化合物が生成される。この合金化の際に、Ｎｉ層４４からは、Ｎｉ層４４の内部に含有されていたガス（例えば水素やアルゴン等）が放出されるが、ここで発生したガスは外部へと放出することができる。これにより、本実施例におけるＮｉ−Ｓｎ合金層４５を含む下面電極１６が形成される。図４に示すように、下面電極１６にはさらに、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５上にＡｕ層４８を形成する。このＡｕ層４８は、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５を覆うように形成されており、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５が酸化されることを防止することができる。Ａｕ層４８は、他の金属層４０、４２と同様にスパッタリングなどによって形成されてよい。Ａｕ層４８の厚み寸法は、例えば約０．１μｍ程度であってよい。

図５に示すように、下面側導体板２０を用意し、前工程で形成した半導体素子１２の下面電極１６と下面側導体板２０との間にはんだ５０を配置して、積層体Ｘを形成する。ここで、はんだ５０は、主にＳｎで構成されており、例えばシート形状のものを採用することができる。また、下面側導体板２０は、他の部材（例えば外部接続端子）と共にリードフレームの形態で用意されてもよい。次いで、図６に示すように、半導体素子１２の下面電極１６と下面側導体板２０とを、例えばリフロー工程においてはんだ付けする。このリフロー工程では、リフロー炉内で積層体Ｘを加熱し、はんだ５０を溶融させることで、下面電極１６と下面側導体板２０とを接合する。この接合の際に、Ａｕ層４８は、はんだ５０又はＮｉ−Ｓｎ合金層４５内部に拡散され、Ａｕ層４８によるＮｉ−Ｓｎ合金層４５の被覆は解消される。そして、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５とはんだ５０とが一体化し、はんだ層３２が形成される。その結果、下面電極１６に下面側導体板２０が接合される。但し、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５とはんだ５０との一体化の形態は特に限定されず、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５の少なくとも一部がはんだ５０と一体化し、はんだ層３２を形成していてもよい。

上記のはんだ付けの際に、さらにＮｉ−Ｓｎ合金化反応が生じたとしても、先の下面電極１６を形成する工程（特に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５を形成する段階）でガスが放出されているので、このはんだ付けにおけるガスの発生は抑制される。これにより、はんだ内部にボイドが形成されることを抑制することができる。

ここで、一例ではあるが、前述したＳｎ層４６は、Ｎｉ層４４と合金化反応するのに必要十分な量の厚み寸法であるとよい。この場合、Ｎｉ−Ｓｎ合金層４５を形成する段階で、Ｎｉ層４４はすべて合金化されるので、後工程のはんだ付けの際に、ガスが放出されることがなく、はんだ層３２の内部にボイドが形成されることを防止することができる。また仮に過剰にＳｎ層４６が存在していると、Ｓｎは融点が低く後工程での熱により溶融するおそれがある。このため、Ｓｎ層４６がＮｉ層４４との反応に必要な厚み寸法で形成されていることで、後工程で意図せずＳｎが溶融することを避けることができる。さらにＳｎはＮｉと合金化されることで融点が高くなり、下面電極１６と下面側導体板２０との接合強度（例えば、引っ張り強度）が優れた半導体装置１０を製造することできる。

以上の製造工程の後、半導体素子１２の上面電極１４上に、導体スペーサ１８、上面側導体板２２を積層し、それぞれはんだ付けする。ここで、上述したが上面電極１４と導体スペーサ１８との間、導体スペーサ１８と上面側導体板２２との間は、それぞれはんだ層３４、３６が介挿されている。次いで、半導体素子１２、導体スペーサ１８、下面側導体板２０及び上面側導体板２２をモールド樹脂２６で封止する。但し、例えば封止後にこれら各部分の表面が露出していない場合はモールド樹脂２６の表面を研削して、各表面を露出する。最後に、例えば不要部（例えばリードフレームのタイバー）の切除等を行い、電気回路を独立させることで、半導体装置１０は完成する。

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：半導体装置
１２：半導体素子
１４：上面電極
１６：下面電極
１８：導体スペーサ
２０：下面側導体板
２２：上面側導体板
２６：モールド樹脂
３２、３４、３６：はんだ層
４０：Ａｌ−Ｓｉ層
４２：Ｔｉ層
４４：Ｎｉ層
４５：Ｎｉ−Ｓｎ合金層
４６：Ｓｎ層
４８：Ａｕ層
５０：はんだ
Ｘ：積層体

Claims (1)

1. 半導体素子の下面に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を含む下面電極を形成する工程と、
   前記半導体素子の前記下面電極を、Ｓｎを含有するはんだを用いて、導体部材へはんだ付けする工程と、を備え、
   前記はんだ付けでは、前記Ｎｉ−Ｓｎ合金層と前記はんだとが一体化して、前記下面電極に前記導体部材が接合される、
   半導体装置の製造方法。

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