JP2005347300A

JP2005347300A - 半導体装置

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Publication number: JP2005347300A
Application number: JP2004161555A
Authority: JP
Inventors: Kimiji Kayukawa; 君治粥川; Akihiro Niimi; 彰浩新美; Chikage Noritake; 千景則武
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP4333483B2

Abstract

【課題】熱応力によって、電極部が破壊されるのを抑制する。
【解決手段】半導体基板１５の素子形成面１５ａ上に、層間絶縁膜１７を介して、電極部が順に形成された半導体チップと、電気伝導性を有する接合部材を介して、Ｎｉ層と接合された導体部材とを備える半導体装置の構造を以下のようにする。すなわち、半導体チップ２の電極部２１をＡｌ電極１９およびＮｉメッキ層２０により構成する。Ａｌ電極１９を、Ｎｉ層よりも塑性変形しやすいＡｌ合金から構成し、スリットや空孔が存在しない密な状態とする。また、Ａｌ電極１９の厚さに関して、層間絶縁膜１７の最上部１７ａからＡｌ電極１９の表面に存在する凹部１９ａの底面までの長さ３１を１．８μｍ以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップの電極部が形成された面に接合部材を介して導体部材が接合された構成の半導体装置に関するものである。

従来、半導体チップの電極部が形成された面に接合部材を介して導体部材が接合された構成の半導体装置として以下のものがある。図６に、このような構成の半導体装置を示す。

図６に示す半導体装置１は、例えば、半導体チップ２と、下側ヒートシンク３と、上側ヒートシンク４と、ヒートシンクブロック５とを備えている。

半導体チップ２の下面と下側ヒートシンク３の上面との間は、半田６ａによって接合されている。また、半導体チップ２の上面とヒートシンクブロック５の下面との間も、半田６ｂによって接合されている。さらに、ヒートシンクブロック５の上面と上側ヒートシンク４の下面との間も、半田６ｃによって接合されている。

そして、半導体チップ２の厚さ寸法をｔ１とし、ヒートシンク３、４の厚さ寸法をｔ２としたときに、ｔ２／ｔ１≧５が成立するように半導体装置１が構成されている（特許文献１参照）。

このように構成された半導体装置１は、冷熱サイクルに曝されたとき、半導体チップ２を保持するための圧縮応力を大きくすると共に、半導体チップ２の表面のせん断応力を低減できるようになっている。
特開２００３−１１００６４号

しかし、本発明者らが上記した半導体装置１を評価したところ、半導体装置１は、冷熱サイクルに曝された場合に発生する熱応力による半導体チップ２中の半導体基板での破壊を抑制することができるが、以下に説明するように、半導体チップ中の電極部で破壊が発生する恐れがあることがわかった。

ここで、図７に本発明者らが評価した半導体装置の断面図を示す。図７は主に半導体チップ２と半田６ｂの部分を拡大したものである。半導体チップ２は、パワー半導体素子を有して構成されている。パワー半導体素子は、例えば、いわゆるトレンチゲート型のＩＧＢＴである。

具体的には、この半導体チップは、Ｐ^＋型基板１１と、ドリフト層としてのＮ⁻型層１２と、ベース層としてのＰ型層１３と、エミッタ層としてのＮ^＋型層１４とを備える半導体基板１５を有している。

そして、半導体基板１５の主表面（素子形成面）側には、半導体基板１５の表面からＰ型層１３を貫通し、Ｎ⁻型層１２に到達する深さのトレンチの内壁にゲート絶縁膜（図示せず）を介して、ゲート電極１６が形成されている。

ゲート電極１６上を含む半導体基板１５の表面上には、層間絶縁膜１７を介してエミッタ電極としてのＡｌ電極１９が形成されており、層間絶縁膜１７に形成されたコンタクトホール１８を介してＮ^＋型層１４とＡｌ電極１９とが電気的に接続されている。Ａｌ電極１９の表面上には、Ｎｉメッキ層２０が形成されている。このＡｌ電極１９およびＮｉメッキ層２０が形成されている部分が電極部２１である。

また、Ａｌ電極１９の表面上のうち、Ｎｉメッキ層２０を除く領域にはポリイミド系樹脂等の保護膜２２が形成されている。一方、半導体基板１５の裏面側にはコレクタ電極２３が形成されている。半導体チップ２の上面では、Ｎｉメッキ層２０が半田６ｂと接合されており、このＮｉメッキ２０および半田６ｂを介して、Ａｌ電極１９がヒートシンクブロック５と接続されている。ヒートシンクブロック５はＣｕにより構成されている。なお、Ａｌ電極１９およびＮｉメッキ２０は、半導体基板１５や半田６ｂよりも非常に薄いものである。

このように構成されている半導体装置では、冷熱サイクルに曝されたとき、ヒートシンクブロック５や半田６ｂは半導体基板１５よりも膨張収縮が大きく、また、電極部２１が半導体基板１５や半田６ｂよりも非常に薄いため、ヒートシンクブロック５や半田６ｂから電極部２１に応力が負荷される。そして、半導体基板１５とＡｌ電極１９との間より、Ａｌ電極１９とＮｉメッキ層２０との間の方が、接合力が小さいことから、Ａｌ電極１９とＮｉメッキ層２０との接合界面に沿ってクラックが進展するという問題が発生する。

そこで、本発明者らがこの問題の対応策を検討したところ、特願２００３−１８４７５６号に示すように、Ａｌ電極１９の表面に凹部を設けて、Ａｌ電極１９とＮｉメッキ層２０とを入り組んだ状態で接合させることで、Ａｌ電極１９とＮｉメッキ層２０との接合界面に沿ってクラックが進展するのを抑制できることがわかった。

しかし、このような手段により、Ａｌ電極１９とＮｉメッキ層２０との接合界面でのクラックの進展を抑制できても、温度変化によるヒートシンクブロック５や半田６ｂの膨張収縮が非常に大きい場合では、Ａｌ電極１９の内部で破壊が生じることがわかった。

本発明は上記点に鑑みて、熱応力によって、電極部が破壊されるのを抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としての金属層（１９）およびＮｉ層（２０）が順に形成された半導体チップ（２）と、電気伝導性を有する接合部材（６ｂ）を介して、Ｎｉ層（２０）と接合された導体部材（５）とを備え、金属層（１９）は、Ｎｉ層（２０）よりも塑性変形しやすい材料により構成され、かつ、金属層（１９）のうち、少なくとも層間絶縁膜（１７）に近い側の部分が密な状態となっていることを特徴としている。

さらに、金属層（１９）の密な状態である部分が、層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における平行線からの半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって接合部材（６ｂ）および導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、金属層（１９）が塑性変形することで、接合部材（６ｂ）および導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明では、半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としての金属層（１９）およびＮｉ層（２０）が順に形成された電極部（２１）を有する半導体チップ（２）と、電気伝導性を有する第１の接合部材（６ｂ）を介して、Ｎｉ層（２０）に接合された第１の導体部材（５）と、電気伝導性を有する第２の接合部材（６ａ）を介して、半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）とは反対側の面に接合された第２の導体部材（３）と、第１の導体部材（５）の電極部（２１）が接合された面とは反対側の面に電気伝導性を有する第３の接合部材（６ｃ）を介して接合された第３の導体部材（４）と、半導体チップ（２）、第１の導体部材（５）、第２の導体部材（３）における半導体チップ（２）と接合している面および第３の導体部材（４）における第１の導体部材（５）と接合している面を封止する封止部材（７）とを備え、金属層（１９）は、Ｎｉ層（２０）よりも塑性変形しやすい材料により構成され、かつ、金属層（１９）のうち、少なくとも層間絶縁膜（１７）に近い側の部分は密な状態となっていることを特徴としている。

さらに、金属層（１９）の密な状態である部分は、層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における平行線からの半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって第１の接合部材（６ｂ）および第１の導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、金属層（１９）が塑性変形することで、第１の接合部材（６ｂ）および第１の導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴としている。

請求項１、２に記載の発明によれば、半導体装置が冷熱サイクルに曝され、接合部材（第１の接合部材）および導体部材（第１の導体部材）が膨張収縮して変形した場合であっても、金属層（１９）が塑性変形することで、接合部材および導体部材から電極部（２１）に加えられる応力を緩和することができる。この結果、熱応力による電極部（２１）の破壊を抑制することができる。

なお、密な状態とは、空孔やスリットがない状態を意味する。

金属層としては、請求項３に示すように、Ａｌを主成分とする金属もしくはＣｕを主成分とする金属で構成することができる。

なお、Ａｌを主成分とする金属とは、Ａｌ金属単体もしくはＡｌ合金を意味し、Ｃｕを主成分とする金属とは、Ｃｕ金属単体もしくはＣｕ合金を意味する。

請求項４に記載の発明では、半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としてのＣｕを主成分とする金属層（１９）が形成された半導体チップ（２）と、電気伝導性を有する接合部材（６ｂ）を介して、電極部（２１）と接合された導体部材（５）とを備え、金属層（１９）は、少なくとも層間絶縁膜（１７）に近い側の部分は密な状態となっていることを特徴としている。

さらに、金属層（１９）の密な状態である部分は、層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における平行線からの半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって接合部材（６ｂ）および導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、金属層（１９）が塑性変形することで、接合部材（６ｂ）および導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明では、半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としてのＣｕを主成分とする金属層（１９）が形成された半導体チップ（２）と、電気伝導性を有する第１の接合部材（６ｂ）を介して、電極部（２１）に接合された第１の導体部材（５）と、電気伝導性を有する第２の接合部材（６ａ）を介して、半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）とは反対側の面に接合された第２の導体部材（３）と、第１の導体部材（５）の電極部（２１）が接合された面とは反対側の面に電気伝導性を有する第３の接合部材（６ｃ）を介して接合された第３の導体部材（４）と、半導体チップ（２）、第１の導体部材（５）、第２の導体部材（３）における半導体チップ（２）と接合している面および第３の導体部材（４）における第１の導体部材（５）と接合している面を封止する封止部材（７）とを備え、金属層（１９）は、少なくとも層間絶縁膜（１７）に近い側の部分は密な状態となっていることを特徴としている。

請求項４、５に記載の発明のように、電極部（２１）をＣｕを主成分とする金属により構成した場合でも、請求項１、２に記載の発明と同様の効果が得られる。

上記した金属層の密な状態である部分の厚さとしては、請求項６に示すように、１．８μｍ以上とすることが好ましい。

具体的には、請求項７に示すように、例えば、金属層（１９）は、凹部（１９ａ、１９ｃ）を有し、かつ、凹部（１９ａ、１９ｃ）を除いて密な状態であり、金属層（１９）の層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における平行線から凹部（１９ａ、１９ｃ）の最下部までの半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での長さ（３１、３３）を、少なくとも１．８μｍ以上とすることができる。

また、請求項８に示すように、例えば、金属層（１９）は空孔（１９ｂ）を有し、かつ、空孔（１９ｂ）を除いて密な状態であり、金属層（１９）の層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における平行線から空孔（１９ｂ）までの半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での長さ（３２）を１．８μｍ以上とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
図１に本発明の一実施形態における半導体装置の部分断面図を示す。図１は、図６中の領域Ａの拡大図であり、半導体基板１５の上に形成されているＡｌ電極１９、Ｎｉメッキ層２０を拡大した図である。

本実施形態の半導体装置は、上記従来技術および発明が解決する課題の欄で説明した半導体装置１に対して、電極部２１の形状が異なっているものであり、その他の構造は上記した半導体装置１と同様の構造となっている。

なお、本実施形態の半導体装置と本発明の半導体装置との対応関係は以下の通りである。図６中の下側ヒートシンク３が第２の導体部材に相当し、上側ヒートシンク４が第３の導体部材に相当し、ヒートシンクブロック５が第１の導体部材もしくは導体部材に相当する。そして、半導体チップ２の下面と下側ヒートシンク３の上面との間の半田６ａが第２の接合部材に相当し、半導体チップ２の上面とヒートシンクブロック５の下面との間の半田６ｂが第１の接合部材もしくは接合部材に相当し、ヒートシンクブロック５の上面と上側ヒートシンク４の下面との間の半田６ｃが第３の接合部材に相当する。また、封止用樹脂７が封止部材に相当する。

半導体チップ２は、上記発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、パワー半導体素子、例えば、トレンチゲート型のＩＧＢＴにより構成されている。なお、半導体基板１５の内部構造は図７に示す構造と同一であるため、ここでは半導体基板１５の内部構造の説明を省略する。

半導体チップ２では、図１に示すように、半導体基板１５の上（素子形成面１５ａ上）には層間絶縁膜１７を介してＡｌ電極１９が形成されている。Ａｌ電極１９は、層間絶縁膜１７に形成されたコンタクトホール１８を介してＰ型層１３およびＮ^＋型層１４と電気的に接続されている。Ａｌ電極１９の上にはＮｉメッキ層２０が形成されており、Ｎｉメッキ層２０と半田６ｂとが接合されている。

Ａｌ電極１９はＡｌ−Ｓｉ合金により構成されている。Ａｌ−Ｓｉ合金はＡｌを主成分としている。このＡｌ−Ｓｉ合金が本発明のＡｌを主成分とする金属に相当する。Ａｌ電極１９は、図１に示すように、空孔やスリットがなく、密な状態となっている。Ａｌ電極１９は、Ｎｉメッキ層２０側の表面のうち、コンタクトホール１８の上方の部位に凹部（窪み）１９ａを有する形状となっている。この凹部１９ａにＮｉメッキ層２０が入り込んだ状態で、Ａｌ電極１９とＮｉメッキ層２０とが接合している。

Ａｌ電極１９は、膜厚が大きく設定されている。特に、層間絶縁膜１７の最上部１７ａからＡｌ電極１９の凹部１９ａの底面までの長さ３１が大きく設定されている。この長さ３１は、言い換えると、層間絶縁膜１７の最上部１７ａを通って基板１５の表面に平行な線と、凹部１９ａの底面を通って基板１５の表面に平行な線とを引いた場合、これら２つの線の間隔のことである。

具体的には、Ａｌ電極１９の層間絶縁膜１７上での厚さ３１は１．８μｍ以上であり、Ａｌ電極１９の膜厚（Ａｌ電極１９の層間絶縁膜１７の最上部１７ａから最も高いところまでの厚さ）は４．５μｍ程度である。

なお、半導体基板１５の厚さは２５０μｍ以下であり、層間絶縁膜１７の厚さは約１．０μｍ、コンタクトホール１８の幅１８ａは１．８μｍ程度である。また、Ｎｉメッキ層２０の厚さは５μｍ程度であり、半田６ｂの厚さは１００μｍ程度である。

Ｎｉメッキ層２０は、Ａｌ電極１９と半田６ｂとを強固に接合させるための層である。Ｎｉは、半田と接合しやすく、かつ、Ａｌとも接合しやすい。したがって、Ｎｉメッキ層２０を介して、Ａｌ電極１９と半田６ｂとを接続させることで、Ａｌ電極１９と半田６ｂとを強固に接合することができる。

半田６ｂは、Ｓｎ系Ｐｂフリー半田である。なお、図１では、Ｎｉメッキ層２０と半田６ｂとが直接接合しているが、Ｎｉメッキ層２０と半田６ｂとの間に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層が形成されている場合もある。

また、このように構成された半導体チップ２の表面上には、図示しないゲートパッド等の制御電極が形成されており、この制御電極とリードフレームとがボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

そして、図６に示すように、半導体チップ２、下側ヒートシンク３の半導体チップ２と接合している面３ａ、上側ヒートシンク４の半導体チップ２と接合している面４ａ、ヒートシンクブロック５、ボンディングワイヤ１０およびリードフレーム９の一部が一括して、封止用樹脂７により封止されている。このように、本実施形態における半導体装置１が構成されている。

次に、本実施形態の半導体装置の特徴について説明する。

本実施形態では、上記したように、半導体チップ２の電極部をＡｌ電極１９およびＮｉメッキ層２０により構成している。Ａｌ電極１９は、Ｎｉよりも塑性変形しやすいＡｌ合金からなり、スリットや空孔が存在しない密な状態となっている。また、Ａｌ電極１９は、層間絶縁膜１７の最上部１７ａからＡｌ電極１９の表面に存在する凹部１９ａの底面までの長さ３１が１．８μｍ以上となっている。

これにより、半導体装置が冷熱サイクルに曝され、ヒートシンクブロック５や半田６ｂが膨張収縮して変形した場合であっても、Ａｌ電極１９が塑性変形することで、Ａｌ電極１９が破壊することなく、ヒートシンクブロック５や半田６ｂの変形に追従することができる。

すなわち、本実施形態では、温度変化によってヒートシンクブロック５や半田６ｂが変形した場合に、Ａｌ電極１９が塑性変形でき、かつ、Ａｌ電極１９がヒートシンクブロック５や半田６ｂの変形に追従できるように、密な状態であって、そのような膜厚に設定している。

この結果、半導体装置が冷熱サイクルに曝され、ヒートシンクブロック５や半田６ｂが膨張収縮して変形した場合に、ヒートシンクブロック５や半田６ｂから電極部に加えられる応力を緩和することができ、熱応力による電極部の破壊を抑制することができる。

なお、Ａｌ電極１９において、層間絶縁膜１７の最上部１７ａからＡｌ電極１９の表面に存在する凹部１９ａの底面までの長さ３１を１．８μｍ以上に設定したのは、本発明者らの調査結果によるものである。

すなわち、本発明者らがＡｌ電極１９の膜厚が任意の大きさである半導体装置を冷熱サイクルに曝した後、この半導体装置の断面を調査したところ、Ａｌ電極１９に破壊が生じていない半導体装置におけるＡｌ電極１９の上記した長さ３１の膜厚が一番薄いところは１．８μｍであったことによる。

したがって、Ａｌ電極１９の層間絶縁膜１７の最上部１７ａから凹部１９ａの底面までの長さ３１を１．８μｍ以上とすることで、半導体装置が冷熱サイクルに曝された場合であっても、Ａｌ電極１９に破壊が生じるのを抑制することができると考えられる。

一方、Ａｌ電極１９の上記した長さ３１の上限は特になく、Ａｌ電極１９の上記した長さ３１は、Ａｌ電極１９が電極として利用でき、また、Ａｌ電極１９を製造できる範囲であればよい。

次に、この半導体装置１の製造方法を説明する。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本実施形態の半導体装置の製造工程を示す。

まず、半導体チップ２を形成する工程を行う。

図７を参照して説明する。Ｐ^＋型基板１１と、Ｎ⁻型層１２と、Ｐ型層１３と、Ｎ^＋型層１４とを備える半導体基板１５を用意する。そして、半導体基板１５の表面からＰ型層１３を貫通し、Ｎ⁻型層１２に到達する深さのトレンチを形成し、トレンチ内にゲート絶縁膜を介して、ゲート電極１６を形成する。

その後、半導体基板１５の表面上に層間絶縁膜１７を形成する。層間絶縁膜１７を形成した後、層間絶縁膜１７にコンタクトホール１８を形成する。なお、層間絶縁膜１７の厚さを約１．０μｍ、コンタクトホール１８の幅１８ａを１．８μｍ程度とする。

続いて、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、スパッタ法で、半導体基板１５の表面上に、Ａｌ電極１９となるＡｌ−Ｓｉ合金膜（以下、Ａｌ合金膜と呼ぶ）４２を成膜する。なお、Ａｌ−Ｓｉ合金膜の代わりにＡｌ膜（Ａｌ単体により構成された膜）を形成することもできる。Ａｌ膜もＮｉ層と比較して塑性変形しやすいからである。

本実施形態では、このＡｌ合金膜４２の成膜を２回に分けて行う。具体的には、図２（ａ）に示すように、１回目の成膜を行い、コンタクトホール１８の内部から層間絶縁膜１７上にかけて、Ａｌ合金膜４１を形成する。１回目の成膜では、成膜温度を例えば１５０℃とし、Ａｌ合金膜４１の層間絶縁膜１７上での膜厚を１〜２μｍとする。

これにより、コンタクトホール１８の上方に位置する部位に凹部（スリット）４１ａを有する形状の第１のＡｌ合金膜４１が形成される。

続いて、図２（ｂ）に示すように、１回目の成膜により形成されたＡｌ合金膜４１に対して、第１の加熱処理を行う。このとき、加熱温度を例えば４１５℃とし、加熱時間を例えば１８０秒とする。

この加熱処理により、Ａｌ合金膜４１のうち、層間絶縁膜１７の上の部分４１ｂが凹部４１ａに流動することで、凹部４１ａが埋められる。このようにして、Ａｌ合金膜４１の表面を平坦化させる。なお、本実施形態では、Ａｌ合金膜４１の凹部４１ａは完全には埋められずに、小さな凹部４１ｃが残った状態となる。また、１回目の成膜では、このようにＡｌ合金膜４１が流動することで凹部を埋め込むことができる程度の膜厚となるように成膜する必要がある。本発明者らは、１回目の成膜では、Ａｌ合金膜の膜厚を層間絶縁膜１７の膜厚以上とすることで、凹部４１ａを埋め込むことができることを確認している。

続いて、図２（ｃ）に示すように、平坦化されたＡｌ合金膜４１に対して、２回目の成膜を行うことで、Ａｌ合金膜４２を形成する。２回目の成膜においても、成膜温度を１回目と同様に、例えば１５０℃とし、Ａｌ合金膜４２の層間絶縁膜上での膜厚を５．５μｍ程度とする。

これにより、膜厚が厚いＡｌ合金膜４２が形成される。このとき、１回目の成膜により形成されたＡｌ合金膜４１の表面に小さな凹部４１ｃが残っていたため、この厚いＡｌ合金膜４２も、コンタクトホール１８の上方の部位に凹部（スリット）４２ａを有する形状となる。

そこで、再度、厚いＡｌ合金膜４２に対して、第２の加熱処理を行う。この第２の加熱処理の条件は、第１の加熱処理と同様である。この加熱処理により、Ａｌ合金膜４２のうち、層間絶縁膜１７の上の部分４２ｂが凹部４２ａに流動することで、凹部４２ａが埋められる。

これにより、図２（ｄ）に示すように、空孔やスリットがない、すなわち、密の状態のＡｌ合金膜４２が形成される。このとき、Ａｌ合金膜４２の表面には小さな凹部４２ｃが残っている。

Ａｌ合金膜４２（Ａｌ電極１９）を形成した後、Ａｌ電極１９上にポリイミド系樹脂等により保護膜２２を形成する（図７参照）。そして、保護膜２２のうち、電極部２１の形成予定領域を除去し、Ａｌ電極１９上にＮｉメッキ層２０を形成する。

このとき、Ｎｉメッキ層２０を形成する前に、エッチングにより、Ａｌ電極１９の表面を削る。これにより、Ａｌ電極１９の表面をきれいな状態とする。例えば、Ａｌ電極１９の表面からのエッチング深さを１μｍとする。この結果、Ｎｉメッキ層２０を形成した後のＡｌ電極１９の膜厚は４．５μｍ程度となる（図１参照）。また、Ａｌ電極１９の層間絶縁膜１７の最上部１７ａから凹部１９ａの底面までの長さは１．８μｍ以上となっている。

その後、ダイシング工程等を経ることで、半導体チップ２が完成する。なお、本実施形態では、Ｎｉ層２０をメッキ法により形成したが、スパッタ法、蒸着法等の他の方法によりＮｉ層２０を形成することもできる。

続いて、特許文献１に記載されている製造方法と同様に、半導体チップ２をヒートシンク３、４およびヒートシンクブロック５と接合し、封止用樹脂７により封止する工程を行う。

すなわち、図３（ａ）に示すように、下側ヒートシンク３の上面に、半導体チップ２とヒートシンクブロック５とを半田付けする工程を行う。この場合、下側ヒートシンク３の上面に半田箔８を介してチップ２を積層すると共に、このチップ２の上に半田箔８を介してヒートシンクブロック５を積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって半田箔８を溶融させてから、硬化させる。

続いて、図３（ｂ）に示すように、チップ２の制御電極とリードフレーム９とをワイヤーボンディングする工程を行う。これにより、例えばＡｌやＡｕ等製のワイヤー１０によってチップ２の制御電極とリードフレーム９とが接続される。

次いで、図３（ｃ）に示すように、ヒートシンクブロック５の上に上側ヒートシンク４を半田付けする工程を行う。ヒートシンクブロック５の上に半田箔８を介して上側ヒートシンク４を載せる。そして、加熱装置によって半田箔８を溶融させてから、硬化させる。

これにより、図１に示すように、Ａｌ電極１９上のＮｉメッキ層２０と半田６ｂとが接合した状態となる。

そして、図示しない成形型を使用して、ヒートシンク３、４の隙間および外周部に封止用樹脂７を充填する工程（モールド工程）を行う。これにより、図６に示すように、ヒートシンク３、４の隙間および外周部等に、樹脂７が充填封止される。このようにして、図６に示す半導体装置１が完成する。

（第２実施形態）
図４に本発明の第２実施形態における半導体装置の部分断面図を示す。図４では、図１と同様の構成部に、図１と同一の符号を付している。

第１実施形態では、Ａｌ電極１９が空孔やスリットがない密な状態である場合を例として説明したが、図４に示すように、Ａｌ電極１９に空孔１９ｂが存在していても良い。

ただし、この場合では、Ａｌ電極１９の膜厚に関して、層間絶縁膜１７の最上部１７ａから空孔１９ｂまでの長さ３２を、１．８μｍ以上とする。なお、この長さ３２は、層間絶縁膜１７の最上部１７ａを通って基板１５の表面に平行な線を引いた場合、その線から空孔１９ｂまでの基板表面１５に対して垂直な方向での長さである。

このように、Ａｌ電極１９に空孔１９ｂが存在する場合では、Ａｌ電極１９のうち、少なくとも空孔１９ｂよりも下側の部分（層間絶縁膜１７に近い側の部分）を密な状態として、その密な状態の部分の長さ３２を上記した所望の長さとすることで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図５に本発明の第３実施形態における半導体装置の部分断面図を示す。図５では、図１と同様の構成部に、図１と同一の符号を付している。

また、図５に示すように、Ａｌ電極１９にスリット１９ｃが存在していても良い。この場合においても、Ａｌ電極１９の膜厚に関して、層間絶縁膜１７の最上部１７ａからスリット１９ｃの最下部までの長さ３３を、１．８μｍ以上とする。この長さ３３は、層間絶縁膜１７の最上部１７ａを通って基板１５の表面に平行な線を引いた場合、その線からスリット１９ｃの最下部までの基板表面１５に対して垂直な方向での長さである。

本実施形態においても、Ａｌ電極１９のうち、少なくともスリット１９ｃの最下部よりも下側の部分（層間絶縁膜１７に近い側の部分）を密な状態として、その密な状態の部分の長さ３３を上記した所望の長さとすることで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第２実施形態の空孔１９ｂや、本実施形態のスリット１９ｃは、Ａｌ電極１９を形成するとき、成膜したＡｌ金属膜の平坦化の程度が十分でない場合に、生じるものである。

（他の実施形態）
（１）上記した各実施形態では、Ａｌ電極１９が表面に凹部１９ａを有する場合を例として説明したが、Ａｌ電極１９の表面を平らな形状とすることもできる。この場合、第２の加熱処理において、Ａｌ電極１９の表面を平らにできるように、温度や時間を設定すればよい。

（２）上記した各実施形態では、Ａｌ電極１９の形成において、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１の成膜、第１の加熱処理、第２の成膜、第２の加熱処理を行う場合を例として説明したが、他の成膜方法により、Ａｌ電極１９を形成することもできる。

例えば、第１実施形態で説明したＡｌ電極１９の形成方法において、第２の成膜と第２の加熱処理とを同時に行うこともできる。すなわち、第１の加熱処理を行った後、高温スパッタ法により、２回目の成膜を行い、Ａｌ電極１９を形成することもできる。このときの成膜温度は、第１の加熱処理と同様に、４００℃〜４４５℃とする。

また、他の方法として、例えば、第１実施形態で説明したＡｌ電極１９の形成方法において、第１の加熱処理、第２の成膜、第１の加熱処理を同時に行うこともできる。すなわち、第１の成膜を行った後、高温スパッタ法により、２回目の成膜を行い、Ａｌ電極１９を形成することもできる。このときの成膜温度も４００℃〜４４５℃とする。

（３）上記した各実施形態では、スパッタ法により、Ａｌ電極１９を形成する場合を例として説明したが、スパッタ法の代わりに蒸着法によりＡｌ電極１９を形成することもできる。

（４）第１〜第３実施形態では、半導体チップ２の電極部をＡｌ電極１９とＮｉメッキ層２０とにより構成した場合を例として説明したが、Ａｌ電極１９の代わりに他の電極部材を用いることもできる。

電極部材には、前提として電気抵抗が低いことが要求される。したがって、電極部材としては、金属材料であって、Ｎｉ層よりも塑性変形しやすいもの、例えば、Ｃｕ（銅）単体やＣｕ合金のＣｕを主成分とする金属層を用いることができる。なお、塑性変形しやすいとは、ヒートシンクブロック５や半田６ｂが膨張収縮した場合に、その膨張収縮に追従できる程度に柔らかいことを意味する。

（５）上記した各実施形態では、電極部の最表面にＮｉメッキ層２０を配置する場合を例として説明したが、Ｃｕを主成分とする金属層により電極部を構成する場合、Ｎｉメッキ層２０を省略することもできる。すなわち、Ｃｕを主成分とする金属層のみで電極部２１を構成することもできる。

これは、Ｃｕは半田と相性が良く、Ｃｕと半田とを接合させた場合、Ｎｉメッキ層２０を介さなくても、強固な接合が得られるからである。

（６）また、上記した各実施形態では、ヒートシンク３、４と半導体チップ２とヒートシンクブロック５とを接合する接合部材として半田箔８を用いたが、これに代えて、半田ペースト等を用いることもできる。

（７）また、上記した各実施形態では、ヒートシンク３、４間に半導体チップ２を１個挟むように構成したが、これに限られるものではなく、２個以上のチップ（または２種類以上のチップ）を挟んだ構成とすることもできる。

本発明の第１実施形態における半導体装置の部分断面図である。図１に示す半導体装置の製造工程を示す図である。図２に続く半導体装置の製造工程を示す図である。本発明の第２実施形態における半導体装置の部分断面図である。本発明の第３実施形態における半導体装置の部分断面図である。従来および本発明の各実施形態における半導体装置の断面図である。本発明者らが検討した半導体装置のうち、半導体チップの部分を拡大した図である。

符号の説明

１…半導体装置、２…半導体チップ、３…下側ヒートシンク、
４…上側ヒートシンク、５…ヒートシンクブロック、６…半田、
７…封止用樹脂、９…リードフレーム、１０…ボンディングワイヤ、
１１…Ｐ^＋型基板、１２…Ｎ⁻型層、１３…Ｐ型層、１４…Ｎ^＋型層、
１５…半導体基板、１６…ゲート電極、１７…層間絶縁膜、
１８…コンタクトホール、１９…Ａｌ電極、
１９ａ…凹部、１９ｂ…空孔、１９ｃ…スリット、
２０…Ｎｉメッキ層、２１…電極部、２２…保護膜、２３…コレクタ電極、
３１…Ａｌ電極１９における層間絶縁膜１７の最上部１７ａからＡｌ電極１９の表面に存在する凹部１９ａの底面までの長さ、
３２…Ａｌ電極１９における層間絶縁膜１７の最上部１７ａから空孔１９ｂまでの長さ、
３３…Ａｌ電極１９における層間絶縁膜１７の最上部１７ａからスリット１９ｃの最下部までの長さ、
４１…１回目の成膜により形成されたＡｌ合金膜、
４２…２回目の成膜により形成されたＡｌ合金膜。

Claims

半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としての金属層（１９）およびＮｉ層（２０）が順に形成された半導体チップ（２）と、
電気伝導性を有する接合部材（６ｂ）を介して、前記Ｎｉ層（２０）と接合された導体部材（５）とを備える半導体装置であって、
前記金属層（１９）は、前記Ｎｉ層（２０）よりも塑性変形しやすい材料により構成され、かつ、前記金属層（１９）のうち、少なくとも前記層間絶縁膜（１７）に近い側の部分が密な状態となっており、
前記金属層（１９）の密な状態である部分は、前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線からの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって前記接合部材（６ｂ）および前記導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、前記金属層（１９）が塑性変形することで、前記接合部材（６ｂ）および前記導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴とする半導体装置。
半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としての金属層（１９）およびＮｉ層（２０）が順に形成された電極部（２１）を有する半導体チップ（２）と、
電気伝導性を有する第１の接合部材（６ｂ）を介して、前記Ｎｉ層（２０）に接合された第１の導体部材（５）と、
電気伝導性を有する第２の接合部材（６ａ）を介して、前記半導体基板（１５）の前記素子形成面（１５ａ）とは反対側の面に接合された第２の導体部材（３）と、
前記第１の導体部材（５）の前記電極部（２１）が接合された面とは反対側の面に電気伝導性を有する第３の接合部材（６ｃ）を介して接合された第３の導体部材（４）と、
前記半導体チップ（２）、前記第１の導体部材（５）、前記第２の導体部材（３）における前記半導体チップ（２）と接合している面および前記第３の導体部材（４）における前記第１の導体部材（５）と接合している面を封止する封止部材（７）とを備える半導体装置であって、
前記金属層（１９）は、前記Ｎｉ層（２０）よりも塑性変形しやすい材料により構成され、かつ、前記金属層（１９）のうち、少なくとも前記層間絶縁膜（１７）に近い側の部分は密な状態となっており、
前記金属層（１９）の密な状態である部分は、前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線からの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって前記第１の接合部材（６ｂ）および前記第１の導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、前記金属層（１９）が塑性変形することで、前記第１の接合部材（６ｂ）および前記第１の導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴とする半導体装置。
前記金属層（１９）は、Ａｌを主成分とする金属もしくはＣｕを主成分とする金属で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としてのＣｕを主成分とする金属層（１９）が形成された半導体チップ（２）と、
電気伝導性を有する接合部材（６ｂ）を介して、前記電極部（２１）と接合された導体部材（５）とを備える半導体装置であって、
前記金属層（１９）は、少なくとも前記層間絶縁膜（１７）に近い側の部分は密な状態となっており、
前記金属層（１９）の密な状態である部分は、前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線からの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって前記接合部材（６ｂ）および前記導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、前記金属層（１９）が塑性変形することで、前記接合部材（６ｂ）および前記導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴とする半導体装置。
半導体基板（１５）の素子形成面（１５ａ）上に、層間絶縁膜（１７）を介して、電極部（２１）としてのＣｕを主成分とする金属層（１９）が形成された半導体チップ（２）と、
電気伝導性を有する第１の接合部材（６ｂ）を介して、前記電極部（２１）に接合された第１の導体部材（５）と、
電気伝導性を有する第２の接合部材（６ａ）を介して、前記半導体基板（１５）の前記素子形成面（１５ａ）とは反対側の面に接合された第２の導体部材（３）と、
前記第１の導体部材（５）の前記電極部（２１）が接合された面とは反対側の面に電気伝導性を有する第３の接合部材（６ｃ）を介して接合された第３の導体部材（４）と、
前記半導体チップ（２）、前記第１の導体部材（５）、前記第２の導体部材（３）における前記半導体チップ（２）と接合している面および前記第３の導体部材（４）における前記第１の導体部材（５）と接合している面を封止する封止部材（７）とを備える半導体装置であって、
前記金属層（１９）は、少なくとも層間絶縁膜（１７）に近い側の部分は密な状態となっており、
前記金属層（１９）の密な状態である部分は、前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線からの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）が、温度変化によって前記第１の接合部材（６ｂ）および前記第１の導体部材（５）が膨張収縮して変形した場合に、前記金属層（１９）が塑性変形することで、前記第１の接合部材（６ｂ）および前記第１の導体部材（５）の変形に追従できる厚さとなっていることを特徴とする半導体装置。
前記金属層（１９）の密な状態である部分であって、前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線からの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での厚さ（３１、３２、３３）は、１．８μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
前記金属層（１９）は、凹部（１９ａ、１９ｃ）を有し、かつ、前記凹部（１９ａ、１９ｃ）を除いて密な状態であり、
前記金属層（１９）の前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線から前記凹部（１９ａ、１９ｃ）の最下部までの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での長さ（３１、３３）が、少なくとも１．８μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。
前記金属層（１９）は空孔（１９ｂ）を有し、かつ、前記空孔（１９ｂ）を除いて密な状態であり、
前記金属層（１９）の前記層間絶縁膜（１７）の最上部（１７ａ）を通って前記半導体基板（１５）の表面に平行な線を引いた場合における前記平行線から前記空孔（１９ｂ）までの前記半導体基板（１５）の表面に対して垂直な方向での長さ（３２）が１．８μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。