JP2007005368A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体装置の性能の向上を図る。
【解決手段】 半導体基板1fの主面1aに形成した第1メタル膜1hおよび裏面1bに形成した第2メタル膜1jそれぞれの上に、両面同時に無電解のNiめっき膜1pと無電解のAuめっき膜1qを順次形成することにより、半導体基板1fの主面1aと裏面1bの両面において半田接続を可能にすることができる。これにより、大電流が流れる主面1a側のソース電極1cにおいても半田を介してリードと接続することができ、寄生抵抗、寄生インダクタンスおよび熱抵抗を下げることができる。その結果、半導体装置6の性能の向上を図ることができる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、半導体製造技術に関し、特に、半導体装置の性能の向上に適用して有効な技術に関する。
半導体装置の表面電極第一層は表面電極パッドの材料と密着性の良い材料からなり、表面電極第二層は、はんだバンプの材料と密着性の良い材料からなり、裏面電極第一層は、裏面電極パッドの材料と密着性の良い材料からなり、裏面電極第二層は、はんだバンプの材料と密着性の良い材料からなる(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−274191号公報(図2)
車載用のIGBT(Insulated Gate BipolarTransistor) やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 等の半導体素子を有する半導体パッケージでは、ドレイン電極は、半導体基板の裏面にて板状のリードに半田接続される。
一方、表面側のゲート電極とソース電極には、Al(アルミニウム)またはAu(金)の導電性のワイヤが接続され、さらにこのワイヤが板状のリードに接続される。
しかしながら、ソース電極には、例えば、定格200アンペアの大電流が流れる場合があり、その際、ワイヤ接続では、寄生抵抗、寄生インダクタンスおよび熱抵抗の面でデバイス性能を劣化させることが問題となる。
また、半導体基板が薄く、かつ鉛フリー半田対応により厚いNi膜が必要な場合、片面のみのNiめっきでは、半導体基板に反りが発生し、その後の処理工程に悪影響を及ぼすことが問題となる。
また、Niめっきを形成する際には、最表面にAl系(例えば、AlSi、AlCu、AlCuSi等)の層が必要となるが、Siの半導体基板の裏面に直接Alを接触させると、相互拡散によりAlスパイクと呼ばれるAlの一部が半導体基板側に入り込む現象が起こる。その場合、半導体基板の裏面に浅い不純物拡散層が形成されていると、特性がダメージを受けることが問題となる。
本発明の目的は、半導体装置の性能の向上を図ることができる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、半導体装置の製造工程の短縮化を図ることができる技術を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、半導体装置の製造コストの低減化を図ることができる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
すなわち、本発明は、半導体基板の主面にAlを主成分とする第1メタル膜を形成する工程と、半導体基板の裏面に第1Al層/Ti層/第2Al層からなる第2メタル膜を、第1Al層の厚さ<第2Al層の厚さとなるように形成する工程と、第2メタル膜を熱処理する工程と、第1および第2メタル膜上に無電解Niめっき膜を形成する工程と、主面と裏面のNiめっき膜上に無電解Auめっき膜を形成する工程とを有するものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
半導体基板の主面に形成した第1メタル膜および裏面に形成した第2メタル膜それぞれの上に、両面同時に無電解Niめっき膜と無電解Auめっき膜を順次形成することにより、半導体基板の主面と裏面の両面において半田接続を可能にすることができる。これにより、大電流が流れる主面側のソース電極においても半田を介して板状のリードと接続することができ、寄生抵抗、寄生インダクタンスおよび熱抵抗を下げることができる。その結果、半導体装置の性能の向上を図ることができる。
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態の半導体装置が組み込まれた半導体パッケージの構造の一例を示す断面図、図2は図1に示す半導体パッケージにおける半導体装置の各電極の接続状態の一例を示す拡大部分断面図、図3は図1に示す半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造の一例を示す拡大部分断面図、図4は図3に示す主面と裏面の電極の形成方法の手順の一例を示すプロセスフロー図である。また、図5は第1の変形例の半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造を示す拡大部分断面図、図6は第2の変形例の半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造を示す拡大部分断面図、図7は第3の変形例の半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造を示す拡大部分断面図である。
本実施の形態の半導体装置は、図1に示す車載用のIGBTやパワーMOSFET等の半導体パッケージ7に搭載されるものであり、半導体チップ1の表裏面の電極に、半田接続用のメタル電極であるUBM(Under Bump Metal)が形成されている。
図1に示す半導体パッケージ7は、図2に示す本実施の形態の半導体装置6が搭載されたパッケージ構造の一例を示すものである。その構成は、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体チップ1と、半導体チップ1の主面1aのソース電極1cと電気的に接続されたリード5aと、半導体チップ1の主面1aのゲート電極1dとワイヤ3を介して電気的に接続されたリード5bと、半導体チップ1の裏面1bのドレイン電極1eと電気的に接続されたリード5cと、半導体チップ1およびワイヤ3を封止する封止体2とからなる。
なお、半導体装置6は、半導体チップ1と、その主面1aに形成されたソース電極1cおよびゲート電極1dと、裏面1bに形成されたドレイン電極1eとを有するものである。
さらに、本実施の形態の半導体装置6は、ソース電極1cが半田接続でリード5aと電気的に接続されるため、ソース電極1cとリード5aの間に半田4が介在されている。また、裏面1bのドレイン電極1eも半田接続でリード5cと電気的に接続されるため、ドレイン電極1eとリード5cの間にも半田4が介在されている。
したがって、図3に示すように、ソース電極1cおよびドレイン電極1eそれぞれの外側寄りには無電解のNiめっき膜1pと、その上(外側)に配置された無電解のAuめっき膜1qとが形成されている。例えば、半田4として、錫(Sn)−銀(Ag)−銅(Cu)から成る鉛フリー半田を採用する場合、この鉛フリー半田と合金を形成するUBMとなるために、Niめっき膜1pのNiが必要となり、さらに、Niの表面酸化防止を目的としてAuめっき膜1qが、半田4とNiめっき膜1pの間に介在されている。
また、図1に示すように封止体2の裏面2aには、それぞれのリード5a,5b,5cの一部が露出しており、これらの露出した部分が半導体パッケージ7の外部端子となっている。
なお、リード5a,5b,5cは、例えば、薄い銅板等から形成されている。また、半導体チップ1は、例えば、シリコンから成る。
また、ワイヤ3は、例えば、金線であり、封止体2を形成する樹脂は、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂等からなる。
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を、図4に示すプロセスフローに沿って説明する。
まず、図4のステップS1に示す基板準備を行う。ここでは、図3に示すように、主面1aと、前記主面1aと対向する裏面1bとを有しており、かつシリコン等によって形成された半導体基板1fを準備する。
その後、半導体基板1fの主面1aにトランジスタ等の半導体素子を形成する。
その後、ステップS2に示す絶縁膜形成を行う。ここでは、半導体基板1fの主面1a上に、SiO2 を主成分とする絶縁膜1gを形成する。その後、ソース電極1cおよびゲート電極1dのそれぞれのパターンに応じてエッチング等を行って所望のパターンを削る。
その後、ステップS3に示す第1メタル膜1hを形成する。すなわち、半導体基板1fの主面1aの絶縁膜1gが除去された箇所(ソースおよびゲート電極形成箇所)に、Alを主成分とし、かつ前記半導体素子と電気的に接続する第1メタル膜1hを形成する。
第1メタル膜1hは、例えば、Al、AlSi、AlCu、AlCuSi等のAl系の金属膜であり、Alを主成分とすることで、第1メタル膜1hの上に無電解のNiめっき膜1pを形成することが可能になる。
その後、ステップS4に示す保護膜形成を行う。ここでは、主面1aの絶縁膜1g上に保護膜1iを形成する。保護膜1iは、例えば、ポリイミド樹脂によって形成されている。
その後、ステップS5に示す第2メタル膜形成を行う。ここでは、半導体基板1fの裏面1bに、無電解めっきの下地金属膜となる第2メタル膜1jを形成する。第2メタル膜1jは、例えば、第1Al層1k/Ti層1m/第2Al層1nからなり、そのうち、半導体基板1fの裏面1bに直接接触する第1Al層1kは、Alスパイクが発生しない程度に薄く(例えば、厚さ0.1μm未満)形成する。
したがって、第1Al層1kの厚さ<第2Al層1nの厚さとなるように第2メタル膜1jを形成する。
なお、第2メタル膜1jの形成については、例えば、スパッタもしくは蒸着等によって基板側から第1Al層1k、Ti層1m、第2Al層1nの順に積層して形成する。
これにより、第2メタル膜1jの最表面に第2Al層1nが配置されているため、第2メタル膜1jの上に無電解のNiめっき膜1pを形成することが可能になる。
その後、第2メタル膜1jを熱処理する。前記熱処理により、裏面1bの接触抵抗を下げることができ、半導体素子の特性を向上できる。
前記熱処理後、ステップS6に示すように無電解Niめっき膜形成を行う。ここでは、主面1a側の第1メタル膜1h上と裏面1b側の第2メタル膜1j上に対して、両面同時に無電解のNiめっき膜1pを形成する。
なお、Niめっき形成は、例えば、所定のめっき液に半導体基板1fを浸して、Al上にNiめっきを成長させて形成する。
両面のNiめっき膜形成後、ステップS7に示す無電解Auめっき膜形成を行う。ここでは、主面1a側と裏面1b側のNiめっき膜1p上に対して、両面同時に無電解のAuめっき膜1qを形成する。
Auめっき形成は、Niめっき形成と同様に、例えば、所定のめっき液に半導体基板1fを浸して、Niめっき膜1p上にAuめっきを成長させて形成する。
これにより、半導体基板1fの主面1aに半田接続が可能なソース電極1cとゲート電極1dが形成され、さらに、主面1aにも半田接続が可能なドレイン電極1eが形成される。
その後、半導体基板1fをダイシングして個々の半導体装置6を形成する。
なお、この半導体装置6の状態で出荷してもよいし、図1に示すような半導体パッケージ7に組み上げて出荷してもよい。
半導体パッケージ7の組み立ては、まず、図2に示すように、ドレイン用のリード5c上に半田4を介して半導体チップ1を接続する。すなわち、半導体チップ1の裏面1bのドレイン電極1eをリード5cと半田接続する。
その後、半導体チップ1の主面1aのソース電極1cを半田4を介してリード5aと半田接続する。
一方、半導体チップ1の主面1aのゲート電極1dは、ワイヤボンディングを行ってリード5bと電気的に接続する。すなわち、ゲート電極1dとリード5bとを金線などの導電性のワイヤ3で電気的に接続する。
その後、樹脂封止を行って封止体2を形成し、図1に示すような半導体パッケージ7を組み上げる。
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板1fの主面1aに形成した第1メタル膜1h、および裏面1bに形成した第2メタル膜1jそれぞれの上に、両面同時に無電解のNiめっき膜1pと無電解のAuめっき膜1qを順次形成することにより、半導体基板1fの主面1aと裏面1bの両面において半田接続を可能にすることができる。
これにより、大電流が流れる主面1a側のソース電極1cにおいても半田4を介して板状のリード5aと接続することができ、寄生抵抗、寄生インダクタンスおよび熱抵抗を下げることができる。その結果、半導体装置6の性能の向上を図ることができる。
また、半導体基板1fの主面1aと裏面1bの両面の電極に対して、同時に無電解めっき形成技術を適用できるため、その結果、半導体装置6の製造工程の短縮化を図ることができるとともに、半導体装置6の製造コストの低減化を図ることができる。
また、半導体基板1fの主面1aと裏面1bの両面の電極に対して、半導体基板1fの反りが問題となるような処理工程を終えた後に、最終段階で両面同時に無電解めっき処理を行うため、半導体基板1fの反りの問題を回避することができる。
また、半導体基板1fの裏面1bのドレイン電極1eの第2メタル膜1jにおいて、半導体基板1fに接する第1Al層1kと、外側の第2Al層1nとの間にTi層1mを介在させるとともに、第1Al層1kの厚さを、例えば、0.1μm未満程度に薄く、かつ第1Al層1kの厚さ<第2Al層1nの厚さとなるように第2メタル膜1jを形成することにより、Alスパイクの発生を防ぐことができる。すなわち、第1Al層1kが薄く、かつTi層1mがバリアになるため、Alスパイクの発生を阻止することができる。
その結果、半導体基板1fの裏面1bに浅い不純物拡散層が形成されている場合であっても特性がダメージを受けることを回避できる。
次に本実施の形態の変形例について説明する。
図5は、第1の変形例の半導体装置6の構成を示すものであり、第2メタル膜1jの構成を、基板側から順にNiSi層1r/Ti層1m/Al層1sとなるように形成したものである。第2メタル膜1jのNiSi層1rを形成する際に、まずNi層を形成し、その後に熱処理を行って前記NiSi層1r(シリサイド)を形成する。
その際、Ti層1mがバリアになって外側のAl層1sのAlの内側への侵入を防ぐため、Alスパイクの発生を阻止することができる。これにより、図3に示す半導体装置6と同様の効果を得ることができる。
図6は、第2の変形例の半導体装置6の構成を示すものであり、第2メタル膜1jの構成を、基板側から順にNiSi層1r/Mo層1t/Al層1sとなるように形成したものである。図5の半導体装置6と同様に、第2メタル膜1jのNiSi層1rを形成する際に、まずNi層を形成し、その後に熱処理を行って前記NiSi層1r(シリサイド)を形成する。
その際、Mo層1tがバリアになって外側のAl層1sのAlの内側への侵入を防ぐため、Alスパイクの発生を阻止することができる。これにより、図3に示す半導体装置6と同様の効果を得ることができる。
図7は、第3の変形例の半導体装置6の構成を示すものであり、第2メタル膜1jの構成を、基板側から順に第1Al層1k/第2Al層1nとし、その際、第1Al層1kの厚さを、例えば、0.1μm未満程度に薄く、かつ第1Al層1kの厚さ<第2Al層1nの厚さとなるように第2メタル膜1jを形成する。
なお、第2メタル膜1j形成時には、まず、第1Al層1kをAlスパイクが発生しない程度に薄く形成し、その後に第1Al層1kを熱処理し、前記熱処理後、第1Al層1k上に第2Al層1nを形成する。
熱処理を行っても第1Al層1kはAlスパイクが発生しない程度に薄く形成されているため、Alスパイクの発生を阻止することができる。これにより、図3に示す半導体装置6と同様の効果を得ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前記実施の形態では、半導体装置6のゲート電極1dがワイヤ3を介してリード5bに電気的に接続されている場合を説明したが、半導体装置6は、そのゲート電極1dが半田接続によってリード5bと電気的に接続されていてもよい。
本発明は、無電解Ni+Auめっきを行う半導体装置の製造方法に好適である。
本発明の実施の形態の半導体装置が組み込まれた半導体パッケージの構造の一例を示す断面図である。 図1に示す半導体パッケージにおける半導体装置の各電極の接続状態の一例を示す拡大部分断面図である。 図1に示す半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造の一例を示す拡大部分断面図である。 図3に示す主面と裏面の電極の形成方法の手順の一例を示すプロセスフロー図である。 本発明の第1の変形例の半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造を示す拡大部分断面図である。 本発明の第2の変形例の半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造を示す拡大部分断面図である。 本発明の第3の変形例の半導体装置の主面の電極と裏面の電極の構造を示す拡大部分断面図である。
符号の説明
1 半導体チップ
1a 主面
1b 裏面
1c ソース電極
1d ゲート電極
1e ドレイン電極
1f 半導体基板
1g 絶縁膜
1h 第1メタル膜
1i 保護膜
1j 第2メタル膜
1k 第1Al層
1m Ti層
1n 第2Al層
1p Niめっき膜
1q Auめっき膜
1r NiSi層
1s Al層
1t Mo層
2 封止体
2a 裏面
3 ワイヤ
4 半田
5a,5b,5c リード
6 半導体装置
7 半導体パッケージ

Claims (5)

  1. (a)主面と、前記主面と対向する裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
    (b)前記半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
    (c)前記半導体基板の前記主面に、Alを主成分とし、かつ前記半導体素子と電気的に接続する第1メタル膜を形成する工程と、
    (d)前記半導体基板の前記裏面に、第1Al層/Ti層/第2Al層からなる第2メ
    タル膜を、前記第1Al層の厚さ<前記第2Al層の厚さとなるように形成する工程と、
    (e)前記第2メタル膜を熱処理する工程と、
    (f)前記第1および第2メタル膜上に無電解のNiめっき膜を形成する工程と、
    (g)前記主面と裏面の前記Niめっき膜上に無電解のAuめっき膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. (a)主面と、前記主面と対向する裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
    (b)前記半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
    (c)前記半導体基板の前記主面に、Alを主成分とし、かつ前記半導体素子と電気的に接続する第1メタル膜を形成する工程と、
    (d)前記半導体基板の前記裏面に、NiSi層/Ti層/Al層からなる第2メタル膜を形成する工程と、
    (e)前記第1および第2メタル膜上に無電解のNiめっき膜を形成する工程と、
    (f)前記主面と裏面の前記Niめっき膜上に無電解のAuめっき膜を形成する工程とを有し、
    前記(d)工程において、前記第2メタル膜のNiSi層を形成する際に、Ni層を形成した後に熱処理を行って前記NiSi層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. (a)主面と、前記主面と対向する裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
    (b)前記半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
    (c)前記半導体基板の前記主面に、Alを主成分とし、かつ前記半導体素子と電気的に接続する第1メタル膜を形成する工程と、
    (d)前記半導体基板の前記裏面に、NiSi層/Mo層/Al層からなる第2メタル膜を形成する工程と、
    (e)前記第1および第2メタル膜上に無電解のNiめっき膜を形成する工程と、
    (f)前記主面と裏面の前記Niめっき膜上に無電解のAuめっき膜を形成する工程とを有し、
    前記(d)工程において、前記第2メタル膜のNiSi層を形成する際に、Ni層を形成した後に熱処理を行って前記NiSi層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. (a)主面と、前記主面と対向する裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
    (b)前記半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
    (c)前記半導体基板の前記主面に、Alを主成分とし、かつ前記半導体素子と電気的に接続する第1メタル膜を形成する工程と、
    (d)前記半導体基板の前記裏面に、第1Al層/第2Al層からなる第2メタル膜を、前記第1Al層の厚さ<前記第2Al層の厚さとなるように形成する工程と、
    (e)前記第1および第2メタル膜上に無電解のNiめっき膜を形成する工程と、
    (f)前記主面と裏面の前記Niめっき膜上に無電解のAuめっき膜を形成する工程とを有し、
    前記(d)工程において、前記第1Al層を形成した後に前記第1Al層を熱処理し、その後、前記第1Al層上に前記第2Al層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. (a)主面と、前記主面と対向する裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
    (b)前記半導体基板に半導体素子を形成する工程と、
    (c)前記半導体基板の前記主面に、Alを主成分とし、かつ前記半導体素子と電気的に接続する第1メタル膜を形成する工程と、
    (d)前記半導体基板の前記裏面に、第1Al層/Ti層/第2Al層からなる第2メ
    タル膜を、前記第1Al層の厚さ<前記第2Al層の厚さとなるように形成する工程と、
    (e)前記第2メタル膜を熱処理する工程と、
    (f)前記第1および第2メタル膜上に無電解のNiめっき膜を形成する工程と、
    (g)前記主面と裏面の前記Niめっき膜上に無電解のAuめっき膜を形成する工程と、
    (h)前記主面と裏面の前記Auめっき膜上にそれぞれ半田を介してリードを接続する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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