JP2006156910A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の金属層からなる電極を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having an electrode composed of a plurality of metal layers.
従来より、例えば特許文献1に示すように、シリコン基板の裏面に複数の金属層からなる裏面電極105を備えた半導体ペレット100を半田106によってヘッダ107に半田接合する半導体装置がある。図7は特許文献1の半導体装置の構造を示す要部断面図である。
Conventionally, as shown in Patent Document 1, for example, there is a semiconductor device in which a
この従来の半導体装置は、ゲート電極などを有する半導体ペレット100と裏面電極105を備える。この裏面電極105は、シリコンとの接合性が良いAl層101、シリコンの半田側への拡散防止のためのTi層102、半田106のシリコン基板側への拡散防止のためのNi層103、Ni層103の酸化防止のためのAu層104を備える。そして、シリコンとAl層101との間にシリコン−Al合金層を形成することによって剥離を低減すると共に、各金属層間に合金層を形成することによって各金属層間での接触抵抗を低減するものである。
しかしながら、近年、環境汚染などの問題から、Sn−Pb系半田に代わってPbを使用しないPbフリー半田(Sn系Pbフリー半田など)の使用が進められている。このPbフリー半田(Sn系Pbフリー半田など)を用いて半導体電極を下地基板に半田接合する場合には、接合寿命が短くなるという問題があった。 However, in recent years, use of Pb-free solder (such as Sn-based Pb-free solder) that does not use Pb instead of Sn-Pb-based solder has been promoted due to problems such as environmental pollution. When the semiconductor electrode is solder-bonded to the base substrate using this Pb-free solder (Sn-based Pb-free solder or the like), there is a problem that the bonding life is shortened.
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、半導体基板を下地基板などにSn系Pbフリー半田を用いて半田接合する場合に、充分な接合寿命を保証できる半導体装置の提供を目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can guarantee a sufficient bonding life when a semiconductor substrate is solder-bonded to a base substrate or the like using Sn-based Pb-free solder. To do.
上記目的を達成するために請求項1に記載の半導体装置では、Al膜が形成された半導体基板に、Al膜上に接着層として形成された第1の金属層と、第1の金属層とNiもしくはCuとの混合層からなる半田バリア層とを備える半導体電極であって、半導体電極をSn系Pbフリー半田により下地基板に半田接合することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the semiconductor device according to claim 1, a first metal layer formed as an adhesive layer on the Al film on the semiconductor substrate on which the Al film is formed, a first metal layer, A semiconductor electrode including a solder barrier layer made of a mixed layer of Ni or Cu, wherein the semiconductor electrode is solder-bonded to a base substrate with Sn-based Pb-free solder.
このように、半導体基板と第1の金属層との間に半導体基板及び第1の金属層との接触抵抗の小さいAl膜を形成することによって、半導体基板とAl膜との間、及びAl膜と第1の金属層との間での接触抵抗を小さくすることができる。したがって、半導体基板と第1の金属層との間をオーミック接続の状態とすることができる。 Thus, by forming an Al film having a low contact resistance between the semiconductor substrate and the first metal layer between the semiconductor substrate and the first metal layer, the Al film is formed between the semiconductor substrate and the Al film. The contact resistance between the first metal layer and the first metal layer can be reduced. Therefore, an ohmic connection can be established between the semiconductor substrate and the first metal layer.
また、半田バリア層として、第1の金属層とNiもしくはCuを含む混合層(合金層)を用いることによって第1の金属層へのSnの到達時間を長くできることを本発明者は実験により見出した。よって、Al膜が形成された半導体基板とベース基板とをSn系Pbフリー半田を用いて接合する場合でも充分な接合寿命を保証できる。 Further, the inventors have found through experiments that the arrival time of Sn to the first metal layer can be increased by using the first metal layer and a mixed layer (alloy layer) containing Ni or Cu as the solder barrier layer. It was. Therefore, even when the semiconductor substrate on which the Al film is formed and the base substrate are bonded using Sn-based Pb-free solder, a sufficient bonding life can be guaranteed.
また、請求項2に示すように、第1の金属層をTiとすることによって、NiもしくはCuとの接合性を良好にすることができる。
In addition, as shown in
また、請求項3に記載の半導体装置では、半田バリア層とSn系Pbフリー半田との間にNiもしくはCuを備えることを特徴とするものである。これによれば、半田バリア層とSn系Pbフリー半田との間にNi層もしくはCu層がある分第1の金属層へのSnの到達時間を長くすることができる。
The semiconductor device according to
また、請求項4に記載の半導体装置では、半田バリア層とSn系Pbフリー半田との間に第1の金属層とNiもしくはCuとSnとからなる3元混合層を備えることを特徴とするものである。これによれば、第1の金属層とNi/CuとSnとからなる3元混合層及び半田バリア層へSnが拡散した場合でも、第1の金属層の界面には、上記3元混合層が形成されることになる。従って、各層の元素で構成された3元混合層が界面に存在するので各層間で結合しやすく接合強度が向上する。 According to a fourth aspect of the present invention, the semiconductor device includes a ternary mixed layer made of Ni or Cu and Sn between the solder barrier layer and the Sn-based Pb-free solder. Is. According to this, even when Sn diffuses to the first metal layer, the ternary mixed layer composed of Ni / Cu and Sn, and the solder barrier layer, the ternary mixed layer is present at the interface of the first metal layer. Will be formed. Accordingly, since a ternary mixed layer composed of the elements of each layer exists at the interface, bonding between the layers is facilitated and bonding strength is improved.
また、請求項5に記載の半導体装置では、半田バリア層の厚さは19nm以上であることを特徴とするものである。これによれば、半田バリア層の厚さは、最低19nmあれば充分な接合寿命を得ることができる。
In the semiconductor device according to
以下、本発明の実施の形態における半導体装置に関して、図面に基づいて説明する。図1は本発明の実施の形態に係わる、半導体装置の構造を示す要部断面図である。図1において、1は半導体基板、2はAl層、3はTi層、4aはNi部、5はTi−Ni層、6はSn系Pbフリー半田、7はリードフレームである。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an Al layer, 3 is a Ti layer, 4a is a Ni portion, 5 is a Ti-Ni layer, 6 is a Sn-based Pb-free solder, and 7 is a lead frame.
半導体基板1は、Si基板上にゲート、ソース領域などが形成されたパワーMOSトランジスタなどである。なお、半導体基板1は、パワーMOSトランジスタに限定されるものではなく、縦型IGBTやダイオードなどであってもよい。 The semiconductor substrate 1 is a power MOS transistor in which a gate, a source region, and the like are formed on a Si substrate. The semiconductor substrate 1 is not limited to a power MOS transistor, and may be a vertical IGBT or a diode.
Al層2は、半導体基板1とTi層3との間がオーミック接続となるようにするためである。半導体基板1としてN型半導体基板を用いる場合、半導体基板1とTi層3との間でオーミック接続が可能である。しかし、半導体基板1としてP型半導体基板を用いる場合、半導体基板1とTi層3との間でショットキー接続となる可能性があった。そこで、P型半導体基板と接触抵抗の小さいAl層2を半導体基板1とTi層3との間に設ける。当然のことながら、Al層2とTi層3とは金属でありオーミック接続となるので、半導体基板1とTi層3との間をオーミック接続の状態とすることができる。
The
Ti層3は、本発明における第1金属層に相当するものである。このTi層3は、Ti−Ni層5とAl層2が形成された半導体基板1との接着層として機能する。なお、Ti層3は、他にもMo、W、Co、V、Cr、TiWなどであっても、接着層としては充分であるが、Ni層4もしくはCuとの接合性が良好なTiを用いるのが好ましい。
The
Ni部4aは、後ほど説明するTi−Ni層5を形成するために形成されたNi層4のうち、Ti層3と合金化されずに残ったものである。なお、Ni部4a(Ni層4)は、これに限定されるものではなくCuであってもよい。
The Ni
Ti−Ni層5は、本発明における半田バリア層に相当するものであり、Sn系Pbフリー半田のSnがTi層3に到達するのを防止するものである。なお、Ni層4の代わりにCuを用いた場合は、この半田バリア層はTi−Cu層となる。
The Ti—Ni
ここで、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法に関して、図面に基づいて説明する。図2は本発明の実施の形態に係わる、半導体装置の製造工程を順に示す模式的である。 Here, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic diagram sequentially showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
図2(a)において、半導体基板1のTi層3などの形成面Sには図示しない自然酸化膜が形成されているので、まず、この自然酸化膜を除去するために、半導体基板1の形成面Sの逆スパッタリングを行う。逆スパッタリングを行うために、半導体基板1をスパッタリング装置のチャンバ内にセットした後、到達真空度として10−7torr程度までチャンバ内の真空排気を行う。そして、このチャンバ内にアルゴンガスをマスフローコントローラによって3〜25×10−3torrになるように導入する。この雰囲気下で半導体基板1に高周波バイアス400〜600Vを印加し、印加電力を1〜2kW/m2の密度で、半導体基板1を例えば4nmの厚さ、逆スパッタリングを行う。この逆スパッタリング終了後、速やかにチャンバ内へのアルゴンガス導入を停止する。この逆スパッタリングによって、半導体基板1の形成面Sに形成されていた自然酸化膜が除去される。
In FIG. 2A, since a natural oxide film (not shown) is formed on the formation surface S such as the
次に、図2(b)に示すように、Al層2を形成する工程に移る。アルミターゲットを備えたチャンバ、すなわちAl層2を形成することができるチャンバへウエハを搬送し、その後、アルゴンガスをマスフローコントローラによって、3〜25×10−3torrになるようにチャンバ内に導入し、この雰囲気下でチタンターゲット側に高周波バイアス400〜600Vを印加する。この状態において、アルゴンイオンはアルミターゲットに衝突し、スパッタリングを引き起こし、アルミ原子またはアルミクラスターがアルミターゲット表面から放出される。放出されたアルミ原子またはアルミクラスターは逆スパッタリングされた半導体基板1に飛来し堆積する。このようにして、例えば厚さ200nm〜300nm程度のAl層2を形成する。なお、Al層2の厚さは、半導体基板1とアルミターゲットとの間にはシャッタが設置されており、このシャッタの開閉によって適宜制御される。
Next, as shown in FIG. 2B, the process proceeds to the step of forming the
次に、図2(c)に示すように、Ti層3を形成する工程に移る。Ti層3の形成は、Al層2を形成する工程と同じく、チタンターゲットを備えたチャンバ、すなわちTi層3を形成することができるチャンバへウエハを搬送し、チャンバ内にアルゴンガスをマスフローコントローラによって3〜25×10−3torrになるようにチャンバ内に導入する。そして、この雰囲気下でチタンターゲット側に高周波バイアス400〜600Vを印加し、チタンターゲットのスパッタリングを行う。このようにして、例えば厚さ200nm〜300nm程度のTi層3を形成する。なお、Ti層3の厚さに関しても、Al層2が形成された半導体基板1とチタンターゲットとの間にはシャッタが設置されており、このシャッタの開閉によって適宜制御される。
Next, as shown in FIG. 2C, the process proceeds to the step of forming the
次に、図2(d)に示すように、Ni層4を形成する工程に移る。Ni層4の形成は、Al層2、Ti層3を形成する工程と同じく、ニッケルターゲットを備えたチャンバ、すなわちNi層4を形成することができるチャンバへウエハを搬送し、チャンバ内にアルゴンガスをマスフローコントローラによって3〜25×10−3torrになるようにチャンバ内に導入する。そして、この雰囲気下でニッケルターゲット側に高周波バイアス400〜600Vを印加し、ニッケルターゲットのスパッタリングを行う。このようにして、例えば厚さ500nm〜600nm程度のNi層4を形成する。また、Ni層4の厚さに関しても、Al層2及びTi層3が形成された半導体基板1とニッケルターゲットとの間にシャッタが設置されており、このシャッタの開閉によって適宜制御される。
Next, as shown in FIG. 2D, the process proceeds to the step of forming the Ni layer 4. The formation of the Ni layer 4 is similar to the step of forming the
さらに、Ni層4上に図示しないAuなどからなる保護膜を形成する。保護膜の形成は、Al層2、Ti層3、Ni層4を形成する工程と同じく、金ターゲットを備えたチャンバ、すなわちAu層を形成することができるチャンバへウエハを搬送し、チャンバ内にアルゴンガスをマスフローコントローラによって3〜25×10−3torrになるようにチャンバ内に導入する。そして、この雰囲気下で金ターゲット側に高周波バイアス400〜600Vを印加し、金ターゲットのスパッタリングを行う。このようにして、例えば厚さ30nm〜50nm程度の保護膜を形成する。また、Auの厚さに関してもAl層2及びTi層3などが形成された半導体基板1と金ターゲットとの間にシャッタが設置されており、このシャッタ開閉によって適宜制御される。
Further, a protective film made of Au or the like (not shown) is formed on the Ni layer 4. The protective film is formed in the same manner as the steps of forming the
次に、図2(e)に示されるように、Ti−Ni層5を形成する工程に移る。このTi−Ni層5を形成する工程は、上述のようにしてAl層2、Ti層3、Ni層4、保護層が形成された半導体基板1を窒素雰囲気の石英管熱処理炉にセットする。そして、この石英管熱処理炉において、例えば、350℃で3分間の熱処理を行うことによってTi層3とNi層4との界面にTi−Ni層5を形成する。
Next, as shown in FIG. 2E, the process proceeds to the step of forming the Ti—
その後、半導体基板1の形成面S上に形成されたAl層2、Ti層3、Ni部4a、Ti−Ni層5からなる電極をSn系Pbフリー半田6によってリードフレーム7に半田接合する。
Thereafter, an electrode made of the
なお、Ti−Ni層5の膜厚は、熱処理温度と熱処理時間とによって適宜制御される。例えば、400℃で3分間の熱処理を行った後に360℃で3分間の熱処理を行うことによって膜厚19nm〜26nmのTi−Ni層5を得ることができる。また、一回の熱処理でも、350℃で30分間では膜厚40nm〜60nm、400℃で30分間では膜厚60nm〜70nm、450℃で30分間では膜厚100nm〜120nmのようなTi−Ni層5を得ることができる。
The film thickness of the Ti—
また、このTi−Ni層5が、どの程度の膜厚で充分な接合寿命を保証できるかを検証した。図3(a)はSn系Pbフリー半田6としてSn−Cu半田を用いた場合の高温放置試験時のTi層3界面付近の断面図であり、(b)はSn系Pbフリー半田6としてSn−Ag半田を用いた場合の高温放置試験時のTi層3界面付近の断面図である。この高温放置試験は、Ti−Ni層5の膜厚が19nmである電極をSn−Cu半田・Sn−Ag半田それぞれでリードフレーム7に半田接合した半導体装置を150℃の温度環境に放置して行った。この結果、150℃の温度環境において5000h経過した時点で、図3(a)、(b)に示すようにTi層3界面に各半田材は到達しておらず、Ti−Ni層5は膜厚が19nm以上であれば充分な接合寿命を保証できるといえる。
Moreover, it was verified by what film thickness this Ti—
ここで、Sn系Pbフリー半田を用いて半導体電極を下地基板に半田接合する場合に接合寿命が短くなる理由について説明する。図4はSn組成比の異なる半田材におけるNi中へのSn拡散係数の関係を示す図であり、この図からわかるようにSn系Pbフリー半田は、Sn−Pb系半田に比べてNi中へのSn拡散係数が約10倍である。Ni中へのSn拡散係数が約10倍であるということは、SnがNi中へ拡散しNiが消滅する(半田材がTiへ到達する)時間が約1/10になるということである。半田材がTiへ到達すると、半田材とTiとの接合性が良くないためTiと半田材との界面において剥離が起こりやすくなる。 Here, the reason why the bonding life is shortened when the semiconductor electrode is solder-bonded to the base substrate using Sn-based Pb-free solder will be described. FIG. 4 is a diagram showing the relationship of Sn diffusion coefficient into Ni in solder materials having different Sn composition ratios. As can be seen from this figure, Sn-based Pb-free solder is more into Ni than Sn—Pb-based solder. The Sn diffusion coefficient is about 10 times. The fact that the Sn diffusion coefficient into Ni is about 10 times means that the time when Sn diffuses into Ni and Ni disappears (solder material reaches Ti) is about 1/10. When the solder material reaches Ti, since the bonding property between the solder material and Ti is not good, peeling is likely to occur at the interface between Ti and the solder material.
次に、このようなSn系Pbフリー半田6を用いて半導体基板1をリードフレーム7に半田接合する際に、Ti−Ni層5によって、SnがNi中へ拡散しNiが消滅する時間を長くすることができる理由について説明する。
Next, when the semiconductor substrate 1 is soldered to the
検証のため、半導体装置をSn−Pb系半田を用いてリードフレーム7へ半田接続して、150℃の温度環境に放置する高温放置試験を行った。その結果、半田バリア層として膜厚600nmのNi層を用いた場合、約500時間でNi層全てが拡散(消滅)し、Ti層の界面にはNi−Sn層が形成される。
For verification, a high temperature storage test was performed in which the semiconductor device was soldered to the
また、半田バリア層として膜厚25nmのTi−Ni層5を用いた場合、約500時間でTi−Ni層5にSnの拡散が始まり、約4000時間でTi層3の界面にSnが現れた。この結果から明らかなように、半田バリア層としてTi−Ni層5を用いることによって、SnがTiへ到達する時間を長くすることが出来る。従って、半導体基板1とリードフレーム7とをSn系Pbフリー半田6を用いて半田接合する場合に充分な接合寿命が保証できる。
When the Ti—
(変形例1)
また、変形例1として、Ti−Ni層5とSn系Pbフリー半田6との間に本発明における第2半田バリア層に相当するNi層4を形成するようにしてもよい。図5は、本発明の実施の形態の変形例1に係わる、半導体装置の構造を示す要部断面図である。なお、上述の実施の形態との共通部分についての詳しい説明は省略する。
(Modification 1)
As a first modification, the Ni layer 4 corresponding to the second solder barrier layer in the present invention may be formed between the Ti—
図5において、1は半導体基板、2はAl層、3はTi層、4はNi層、5はTi−Ni層、6はSn系Pbフリー半田、7はリードフレームである。製造方法に関しては、上述と同様に逆スパッタリング、スパッタリング、熱処理を行い、Al2層、TI層3、Ni層4、Ti−Ni層5を形成する。この際に、Ni層4の膜厚を厚めに(例えば、600nm)形成することによって、Ti−Ni層5とSn系Pbフリー半田6との間にNi層4を形成する。このように、半田バリア層としてのTi−Ni層5とSn系Pbフリー半田6との間にNi層4を形成することによって、Ni層4がある分SnがTi層3へ到達する時間を長くすることが出来る。なお、Ni層4は、これに限定されるものではなくCuであってもよい。
In FIG. 5, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an Al layer, 3 is a Ti layer, 4 is a Ni layer, 5 is a Ti-Ni layer, 6 is a Sn-based Pb-free solder, and 7 is a lead frame. Regarding the manufacturing method, reverse sputtering, sputtering, and heat treatment are performed in the same manner as described above to form the
(変形例2)
また、変形例2として、Ti−Ni層5とSn系Pbフリー半田6との間に本発明における3元混合層に相当するTi−Ni−Sn層8を形成するようにしてもよい。図6は、本発明の実施の形態の変形例2に係わる、半導体装置の構造を示す要部断面図である。なお、上述の実施の形態との共通部分についての詳しい説明は省略する。
(Modification 2)
As a second modification, a Ti—Ni—
図6において、1は半導体基板、2はAl層、3はTi層、5はTi−Ni層、6はSn系Pbフリー半田、7はリードフレーム、8はTi−Ni−Sn層である。製造方法に関しては、上述と同様に逆スパッタリング、スパッタリング、熱処理を行い、Al層2、TI層3、Ni層4、Ti−Ni層5を形成する。その後、形成面S側にAl沿層2、Ti層3、Ti−Ni層5などが形成された半導体基板1をSn系Pbフリー半田6によってリードフレーム7に半田接合する。さらに、半導体基板1がSn系Pbフリー半田6によってリードフレーム7に半田接続された状態で、上述のような窒素雰囲気の石英管熱処理炉にて熱処理を行うことによって、Ti−Ni−Sn層8を形成する。この際に、半田接続後の熱処理の時間及び温度によってTi−Ni−Sn層8の膜厚(例えば、19nm)を適宜制御する。
In FIG. 6, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an Al layer, 3 is a Ti layer, 5 is a Ti—Ni layer, 6 is a Sn-based Pb-free solder, 7 is a lead frame, and 8 is a Ti—Ni—Sn layer. Regarding the manufacturing method, reverse sputtering, sputtering, and heat treatment are performed in the same manner as described above to form the
Ti−Ni層5とSn系Pbフリー半田6との間にTi−Ni−Sn層8を設けると、もし、Ti−Ni−Sn層8及びTi−Ni層5へSnが拡散した場合でも、Ti層3の界面には、Ti−Ni−Sn層8が形成されることになる。従って、Ti界面に各層の元素で構成されたTi−Ni−Sn層8が存在することによって各層間で結合しやすく接合強度が向上する。なお、Ni層4は、これに限定されるものではなくCuであってもよい。
If the Ti—Ni—
なお、上述の実施の形態においては、Al層2、Ti層3、Ni層4をスパッタリングを用いて形成する例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、蒸着などで形成してもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
1 半導体基板、2 Al層、3 Ti層、4 Ni層、4a Ni部、5 Ti−Ni層、6 Sn系Pbフリー半田、7 リードフレーム、8 Ti−Ni−Sn層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 2 Al layer, 3 Ti layer, 4 Ni layer, 4a Ni part, 5 Ti-Ni layer, 6 Sn type Pb free solder, 7 Lead frame, 8 Ti-Ni-Sn layer
Claims (5)
前記第1の金属層とNiもしくはCuとの混合層からなる半田バリア層とを備える半導体電極であって、
前記半導体電極をSn系Pbフリー半田により下地基板に半田接合することを特徴とする半導体装置。 A first metal layer formed as an adhesive layer on the Al film on the semiconductor substrate on which the Al film is formed;
A semiconductor electrode comprising the first metal layer and a solder barrier layer made of a mixed layer of Ni or Cu,
A semiconductor device, wherein the semiconductor electrode is solder-bonded to a base substrate with Sn-based Pb-free solder.
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