JP2002359248A - メサ型半導体装置の製造方法 - Google Patents
メサ型半導体装置の製造方法Info
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Abstract
成分とする接合材で接合されたメサ型半導体装置におい
て、半導体素子チップのpn接合面をアルカリエッチン
グした際の表面への鉛の析出、付着を防止する。 【解決手段】エツチング用のアルカリ溶液にエチレンジ
アミン四酢酸塩、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三
酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホン酸塩、メチレ
ンホスホン酸、ジエチレントリアミン五酢酸塩のいずれ
かを加え、またはアルカリエツチング後に、それらを加
えた純水で洗浄する。アルカリエツチング、流水洗浄、
イソプロピルアルコール置換の後、チタネートやシリコ
ン系カツプリング剤を含むイソプロピルアルコールに浸
漬しても良い。
Description
プと配線導体とを鉛を主成分とする接合材で接合し、p
n接合表面を水酸化カリウム溶液でエッチングした、い
わゆるメサ型半導体装置の製造方法に関する。
を、シリコン半導体整流素子を例にとって説明する。図
8(a)〜(j)は、従来のメサ型シリコン半導体整流
素子の製造プロセスの工程順に示した断面図である。
(111)面方位、厚さ350μm、直径15cmのシリ
コンウェハ801 を2000メッシュ以上の砥粒で研削
し、その表面を酸エッチ後、先ずオキシ塩化燐(POC
l3 )をソースにして燐をドープし、シリコンウェハ80
1 の両面に深さ数μm のn+ 層を形成した後、片面を2
000メッシュ以上の砥粒で研削して厚さを約300μ
m とする。
液をスピンナー塗布して拡散源としてホウ素をドーピン
グした後、高温の拡散処理をして、共に厚さ30〜50
μmのn+ 層803 、p+ 層804 を形成する[図8
(a)]。続いて、両面にNi−Pの無電解めっきを施
し、熱処理してNi−Si層とNi−P層からなるNi
電極805 を形成する[同図(b)]。
さ数μm のはんだ層806 を形成する[同図(c)]。更
にダイシングソーなどで数mm角の大きさのチップサイズ
にダイシングする[同図(d)]。807 は切断ラインで
ある。次に半導体デバイスチップ816 を配線導体808 に
はんだ付けする[同図(e)]。このとき、同図(j)
のようにリートフレーム814 にはんだ付けをするタイ
プもある。
イシング時の損傷や歪み、汚れ等を除去するために混酸
(ふっ酸−硝酸−酢酸)で約50μm エッチングする
[同図(f)]。次に15重量% (以下wt% と記す)K
OH溶液で85℃、数分間のエッチングで約10μm エ
ッチングする[同図(g)]。この工程は本発明に係わ
る重要なポイントになる。
分に洗浄した後、シリコンデバイス812 および配線導体
808 の一部を完全に覆うようにポリイミド膜812 で保護
する[同図(h)]。最後にエポキシ樹脂813 でトラン
スファーモールドする[同図(i)]。従来のこの種の
半導体装置に関する表面処理は、特にKOH等のアルカ
リ性溶液での処理の後には加熱水で構成各部材表面に生
成した金属水酸化物を加速溶解させたり、カリウムイオ
ン除去などの洗浄効果を高めようとする処置が取られて
いる。
工程フローチャートである。KOH溶液でエッチングし
た後、流水洗浄を繰り返し、イソプロピルアルコール
(以下IPAと記す)で置換し、乾燥する。
よりなる従来のメサ型半導体素子においては、KOHな
どの表面処理において、シリコンの溶解、シリコンの部
分的酸化、鉛、錫などの析出、カリウムイオン等の付着
(吸着)等の現象が生じやすい。例えば上記半導体装置
では、主要構成部材は、はんだ中の鉛(90% 以上の鉛
成分とする高温はんだ)、シリコンデバイス、配線導体
のニッケル或いは銀、リードフレームのニッケル等であ
るが、その内、ニッケルおよび銀はKOH溶液中では非
常に安定てある。
る。
する。このとき主組成の鉛がはんだ表面を覆うようにな
ると言われている。さらに鉛は、容易に酸化を受け、P
bOが表面に形成されると推定される。
4H2 O 以上のような経過を経て鉛はシリコンデバイスの表面に
析出する。半導体表面での上述の金属元素の析出、成長
が生じると、半導体素子完成後の高温高湿放置試験、高
温高湿引加試験で、漏れ電流の増加、短絡不良等を引き
起こすことがある。
温高湿放置試験、高温高湿引加試験での、漏れ電流の増
加、短絡不良等を防止した、高信頼性の半導体装置を提
供することにある。
めに、前述の各処理を施すことにより、構成各部材から
のシリコン半導体表面への溶出析出を防止することがで
きる。以下、各処理とその作用について説明する。先
ず、半導体素子チップと配線導体とを鉛を主成分とする
接合材で接合した後、シリコンチップのpn接合表面を
水酸化カリウム溶液でエッチングするメサ型半導体装置
の製造方法において、例えばエチレンジアミン四酢酸塩
を加えた水酸化カリウム溶液でエッチングし、または水
酸化カリウム溶液でエッチングした後にエチレンジアミ
ン四酢酸塩を加えた水で水洗するものとする。
水酸化カリウム溶液でエッチングした後、エチレンジア
ミン四酢酸塩を加えた水で水洗してもよい。錯化合物で
あるエチレンジアミン四酢酸塩の一つ、例えばエチレン
ジアミン四酢酸四ナトリウムは、下記の化学式で表され
る。
子をそれぞれ示す。N*は供与体窒素原子である。
OHアルカリエッチング溶液中に溶解させて使用すると
き、pHが高いと、エチレンジアミン四酢酸四ナトリウ
ムと鉛とが非常に安定なエチレンジアミン四酢酸四ナト
リウム−鉛錯体を形成する。また、この時の錯体は、二
価の電荷を持ち易くなる。この錯体は鉛の配位数が6
で、エチレンジアミン四酢酸四ナトリウムとは八面体型
錯体を形成すると言われている。
である。4個の酸素(O)原子と2個の窒素(N)原子
が、鉛(Pb)原子を中心とする八面体の6つの頂点を
占めている[図10(a)]。その頂点位置のN原子と
O原子との間は、−CO−CH2 −の分枝で結ばれ、ま
たN原子とN原子との間は、−CH2 −CH2 −の分枝
で結ばれている。
ン四酢酸四ナトリウムを溶解させておくことにより、P
bO、Pb(OH)4 2- と非常に安定な錯体を形成し、
シリコン半導体素子表面への鉛の析出が防止される。一
次水洗槽中にエチレンジアミン四酢酸四ナトリウムを溶
解させておいて洗浄しても同様な結果が得られる。
モル/リットル(以下mol/l と記す)とするのがよい。
0.2×10-3mol/l 未満では錯体形成の効果が少な
い。反対に200×10 -3mol/l より多すぎると、溶解
度を越す。また析出した鉛と反応する量があれば十分で
あり、過剰にあっても効果は飽和することになる。従っ
てEDTAの濃度は0.2〜200×10-3mol/l の範
囲が適当である。
ジアミン四酢酸のアミン塩や、ヒドロキシエチルエチレ
ンジアミン三酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホン
酸塩、メチレンホスホン酸、ジエチレントリアミン五酢
酸塩等がある。エチレンジアミン四酢酸のアミン塩の二
例の化学式を以下に示す。
シエチリデン二ホスホン酸塩、メチレンホスホン酸、ジ
エチレントリアミン五酢酸塩のそれぞれの一例の化学式
を以下に示す。
同様に用いることができる。
を主成分とする接合材で接合し、シリコン半導体素子チ
ップのpn接合表面を水酸化カリウム溶液でエッチング
し、水洗した後、チタン、バナジウム、ジルコニウム、
ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングス
テン、シリコンの内のいずれかを含むカップリング剤を
加えたイソプロピルアルコールで置換するものとする。
分とする接合材で接合した後、シリコンチップのpn接
合表面を水酸化カリウム溶液でエッチングし、水洗、イ
ソプロピルアルコール置換して一旦大気中で乾燥した
後、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、モリ
ブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、シリコ
ンの内のいずれかを含むカップリング剤を加えたイソプ
ロピルアルコールに浸漬し、乾燥してもよい。特にその
場合は、先の乾燥を200℃以上でおこない、後の乾燥
を180℃以下でおこなうとよい。
処理後の鉛析出を防止し、或いはシリコン半導体素子表
面を安定化させるものである。ここでカップリング剤と
は一分子中に少なくとも二種の反応性の異なる官能基を
持つものを言う。このとき、両方の官能基を結合するの
に配位数の高い金属系元素が中核元素として使用され
る。中でも水溶液、非水溶液でも電析不可能な金属元素
Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等を含む
カップリング剤が適している。
を中核元素としているチタネート系カップリング剤、イ
ソプロピルトリ(N−アミノエチル−アミノエチル)チ
タネートを取り上げ、その作用を説明する。イソプロピ
ルトリ(N−アミノエチル−アミノエチル)チタネート
の化学式は次のようなものである。
である。またNH2 CH 2 CH2 NHCH2 OはN−ア
ミノエチル−アミノエチル基であり、これをAとする
と、化11は
の一種と見なせる。
に存在する水酸基(OH基)とイソプロピル基のOH基
とが次のように水素結合する。
0℃程度に加熱すれば、水素結合を部分的に化学結合す
ることができて、一層効果を増すことができる。水素結
合の場合結合力は20kJ/molであるが、化学結合させる
と結合力は数百kJ/molであり、数十倍強い結合を得るこ
とができる。
安定にしているOH基が無くなる。シリコン表面のSi
のダングリングボンド(結合手)もチタネートでカップ
リングされて、電荷的に中和され、表面準位の少ない安
定した表面が得られる。酸素原子を介してTi元素が存
在するか、Tiは電析不可能な金属グループなので、シ
リコン表面への析出やマイグレーションによる導通不良
の原因になり難い。
ング剤である場合の作用を説明する。シリコンカップリ
ング剤は、
キシ樹脂などと容易に化学結合する反応基、例えばビニ
ル基、アミノ基、エポキシ基、メタクリル基、フェニル
基、メルカプト基などである。ORはシリコン、金属、
無機質膜などの無機材料と化学結合する反応基、例えば
メトキシ基(CH3 O−)、エトキシ基(C2 H5 O
−)などである。
ポイントになる。カップリング剤を加えたIPA浸漬後
の乾燥は、180℃以下でおこなうことが重要である。
また、180℃以下では、X官能基が熱分解しないの
で、水素結合より更に強固な化学結合をさせることがで
き、安定化効果を高めることが可能である。
縮合して大きな分子になることと、シリコンは析出し難
いことでマイグレーションを生じないことなどにより、
チタネートの場合より更に高信頼性の半導体装置を得る
ことができる。カップリング剤の濃度は0.1〜10体
積% (以下vol%と記す)とするのがよい。
反対に10vol%より多すぎても効果が飽和してしまう。
従って0.1〜10vol%の範囲が適当である。表面保護
膜がポリイミド樹脂膜であるものとすれば、ポリイミド
基と容易に反応するX基を持っているので、ポリイミド
樹脂膜の密着性が改善される。
の形態を説明する。本発明は図7(f)のアルカリエッ
チングおよびその直後の処理に関するものであり、その
前後の工程は図7(a)〜(e)および図7(g)以降
と同じでよいので、説明を省略する。図8の従来法にお
けるアルカリエッチングおよびその直後の処理の工程フ
ロー図に対応する工程フロー図を参照しながら説明す
る。
例1のシリコン整流素子のアルカリエッチングおよびそ
の直後の処理工程の工程フロー図である。エチレンジア
ミン四酢酸四ナトリウム(図中ではEDTA)を20×
10-3mol/l 加えた15wt% KOHエッチング液で、8
5℃、15分間のエッチングをおこなった後、一次流水
洗浄、二次流水洗浄、IPA置換を経て、乾燥する。こ
の後は保護膜塗布、エポキシ樹脂モールドして完成す
る。特に本発明に係わるポイント工程は四角の枠で囲っ
た。
号△)および比較例(記号×)として従来法によるシリ
コン整流素子の高温での印加試験結果の特性比較図であ
る。試験条件は、温度125℃、逆方向電圧1500V
、デューティ100% とした。高温での印加試験は、
表面状態の差異を顕著に示す試験である。
整流素子は、漏れ電流のレベルが1/4以下になってお
り、シリコンデバイス表面の状態が改善されたことがわ
かる。 [実施例2]図3は、本発明にかかる実施例2のシリコ
ン整流素子のアルカリエッチングおよびその直後の処理
工程の工程フロー図である。
15分間のエッチングをおこなった後、一次洗浄は静止
型にしてエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム(図中で
はEDTA)を20×10-3mol/l 加えた純水で洗浄
し、次いで二次流水洗浄、三次流水洗浄、IPA置換を
経て、乾燥する。この後は実施例1と同様とした。本発
明に係わるポイント工程は四角の枠で囲った。
整流素子は、漏れ電流のレベルが実施例1と同程度であ
った。 [実施例3]図4は、本発明にかかる実施例3のシリコ
ン整流素子のアルカリエッチングおよびその直後の処理
工程の工程フロー図である。
15分間のエッチングをおこなった後、一次流水洗浄、
二次流水洗浄、IPA置換をした後、チタネートを1vo
l%加えたIPAに3分か浸漬し、乾燥する。この後は実
施例1と同様とした。本発明に係わるポイント工程は四
角の枠で囲った。本発明による処理により得られたシリ
コン整流素子も、漏れ電流のレベルが実施例1と同程度
であった。
例4のシリコン整流素子のアルカリエッチングおよびそ
の直後の処理工程の工程フロー図である。15wt% KO
Hエッチング液で、85℃、15分間のエッチングをお
こなった後、一次流水洗浄、二次流水洗浄、IPA置換
をした後、一旦大気中、200℃で3分間の乾燥をし、
更にチタネートを1vol%加えたIPAに3分間浸漬し、
大気中、120℃で3分間乾燥した。この後は実施例1
と同様とした。本発明に係わるポイント工程は四角の枠
で囲った。
試験の結果も図2に記した(記号□)。漏れ電流のレベ
ルが実施例1と同等であった。 [実施例5]図6は、本発明にかかる実施例5のシリコ
ン整流素子のアルカリエッチングおよびその直後の処理
工程の工程フロー図である。
15分間のエッチングをおこなった後、一次流水洗浄、
二次流水洗浄、IPA置換をした後、シリコンカツプリ
ング剤を1vol%加えたIPAに3分か浸漬し、乾燥す
る。この後は実施例1と同様とした。本発明に係わるポ
イント工程は四角の枠で囲った。本実施例のシリコン整
流素子も、漏れ電流のレベルが実施例1と同程度であっ
た。
例6のシリコン整流素子のアルカリエッチングおよびそ
の直後の処理工程の工程フロー図である。15wt% KO
Hエッチング液で、85℃、15分間のエッチングをお
こなった後、一次流水洗浄、二次流水洗浄、IPA置換
をした後、一旦大気中、200℃で3分間の乾燥をし、
更にシリコンカツプリング剤としてビニル−エポキシ系
のカップリング剤を1vol%加えたIPAに3分間浸漬
し、大気中、120℃で3分間乾燥した。この後は実施
例1と同様とした。本発明に係わるポイント工程は四角
の枠で囲った。
試験の結果も図2に記した(記号○)。漏れ電流のレベ
ルが実施例1と同等か、やや良い結果であった。 [実施例7]実施例6とほぼ同じであるが、シリコンカ
ツプリング剤としてエポキシ−メトキシ系のカップリン
グ剤を1vol%加えたIPAに3分間浸漬し、大気中、1
20℃で3分間乾燥した。
験の結果は、漏れ電流のレベルが実施例6よりやや良い
結果であった。
ルカリエッチング液、またはエッチング後の洗浄液にエ
チレンジアミン四酢酸塩、ヒドロキシエチルエチレンジ
アミン三酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホン酸
塩、メチレンホスホン酸、ジエチレントリアミン五酢酸
塩等を加えることにより、メサ型半導体装置のシリコン
デバイス表面の状態が改善され、鉛等の析出による漏れ
電流の増大が防止できることを示した。
置換の後、カップリング剤を加えたIPAに浸漬するこ
とも有効である。これらの方法により、及び高信頼性化
が容易に実現できる本発明は、極めて有用な発明であ
る。
エッチング及びその直後の製造工程フロー図
印加試験特性図
エッチング及びその直後の製造工程フロー図
エッチング及びその直後の製造工程フロー図
エッチング及びその直後の製造工程フロー図
エッチング及びその直後の製造工程フロー図
エッチング及びその直後の製造工程フロー図
を説明するための製造工程順の断面図
チング及びその直後の製造工程フロー図
Claims (13)
- 【請求項1】半導体素子チップと配線導体とを鉛を主成
分とする接合材で接合した後、シリコンチップのpn接
合表面を水酸化カリウム溶液でエッチングをおこなうメ
サ型半導体装置の製造方法において、前記エッチングを
エチレンジアミン四酢酸塩、ヒドロキシエチルエチレン
ジアミン三酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホン酸
塩、メチレンホスホン酸、ジエチレントリアミン五酢酸
塩のいずれかを加えた水酸化カリウム溶液でおこなうこ
とを特徴とするメサ型半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】半導体素子チップとリード線とを鉛を主成
分とする接合材で接合した後、シリコンチップのpn接
合表面を水酸化カリウム溶液でエッチングをおこなうメ
サ型半導体装置の製造方法において、前記水酸化カリウ
ム溶液によるエッチングの後、エチレンジアミン四酢酸
塩、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸塩、ヒド
ロキシエチリデン二ホスホン酸塩、メチレンホスホン
酸、ジエチレントリアミン五酢酸塩のいずれかを加えた
水で水洗することを特徴とするメサ型半導体装置の製造
方法。 - 【請求項3】半導体素子チップと配線導体とを鉛を主成
分とする接合材で接合した後、シリコンチップのpn接
合表面を水酸化カリウム溶液でエッチングをおこなうメ
サ型半導体装置の製造方法において、前記エッチングを
エチレンジアミン四酢酸塩、ヒドロキシエチルエチレン
ジアミン三酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホン酸
塩、メチレンホスホン酸、ジエチレントリアミン五酢酸
塩のいずれかを加えた水酸化カリウム溶液でおこなった
後、エチレンジアミン四酢酸塩、ヒドロキシエチルエチ
レンジアミン三酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホ
ン酸塩、メチレンホスホン酸、ジエチレントリアミン五
酢酸塩のいずれかを加えた水で水洗することを特徴とす
るメサ型半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】前記エッチング時または水洗時のエチレン
ジアミン四酢酸塩、ヒドロキシエチルエチレンジアミン
三酢酸塩、ヒドロキシエチリデン二ホスホン酸塩、メチ
レンホスホン酸、ジエチレントリアミン五酢酸塩のいず
れかの濃度を0.2〜200×10-3mol/l とすること
を特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のメサ
型半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】半導体素子チップと配線導体とを鉛を主成
分とする接合材で接合した後、シリコンチップのpn接
合表面を水酸化カリウム溶液でエッチングをおこなう半
導体装置の製造方法において、前記水酸化カリウム溶液
によるエッチングの後、チタン、バナジウム、ジルコニ
ウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タ
ングステン、シリコンの内のいずれかを含むカップリン
グ剤を加えたイソプロピルアルコールに浸漬することを
特徴とするメサ型半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】前記水洗の後、チタン、バナジウム、ジル
コニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタ
ル、タングステン、シリコンの内のいずれかを含むカッ
プリング剤を加えたイソプロピルアルコールに浸漬する
ことを特徴とする請求項2または3に記載のメサ型半導
体装置の製造方法。 - 【請求項7】前記イソプロピルアルコールへの浸漬後、
一旦大気中で乾燥し、チタン、バナジウム、ジルコニウ
ム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タン
グステン、シリコンの内のいずれかを含むカップリング
剤を加えたイソプロピルアルコールに浸漬し、乾燥する
ことを特徴とする請求項5または6に記載のメサ型半導
体装置の製造方法。 - 【請求項8】先の乾燥を200℃以上でおこない、後の
乾燥を180℃以下でおこなうことを特徴とする請求項
7に記載のメサ型半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】カップリング剤がイソプロピルトリNアミ
ノエチル−アミノエチルチタネートであることを特徴と
する請求項5ないし8のいずれかに記載のメサ型半導体
装置の製造方法。 - 【請求項10】カップリング剤がシリコン系カップリン
グ剤であることを特徴とする請求項5ないし8のいずれ
かに記載のメサ型半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】カップリング剤の濃度を0.1〜10vo
l%とすることを特徴とする請求項5ないし10のいずれ
かに記載のメサ型半導体装置の製造方法。 - 【請求項12】前記イソプロピルアルコールへの浸漬お
よび乾燥の後、前記pn接合表面に、表面保護膜を塗布
することを特徴とする請求項5または6に記載のメサ型
半導体装置の製造方法。 - 【請求項13】後の乾燥後、前記pn接合表面に表面保
護膜を塗布することを特徴とする請求項7または8に記
載のメサ型半導体装置の製造方法。
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