JP2008078240A - 半導体素子の配線接続方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体装置では、テープ状に形成したワイヤを超音波接合する場合、半導体素子に加わる超音波エネルギーが大きくなり、該半導体素子にダメージを与える恐れがあった。
【解決手段】半導体素子１０の表面に形成される素子電極端子に配線３０を接続する配線接続方法であって、前記配線３０を帯状に形成し、前記配線３０の素子電極端子との接続面、および素子電極端子に、前記半導体素子１０の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材３１・１４を膜付けし、前記配線１０の素子電極端子との接続面と素子電極端子とを突合せた状態で加熱して、前記配線１０の素子電極端子との接続面に膜付けされた第１の金属材３１と、素子電極端子に膜付けされた第１の金属材１４とを融合させることにより、半導体素子１０の素子電極端子と配線３０とを面接続する、半導体素子１０の配線接続方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体素子にダメージを与えることなく、省スペースで大きな接続断面積を確保することができる半導体素子の配線接続方法および半導体装置に関する。

従来、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー系半導体素子と、外部電極端子とを電気的に接続する配線接続方法としては、主に、アルミワイヤなどのワイヤを半導体素子の素子電極端子および外部電極端子に超音波接合する、ワイヤボンディングによる接続が行われていた。
このように、ワイヤボンディングによりパワー系半導体素子の接続を行う場合、大電流用の配線とするためには、ワイヤのトータル断面積を増加させる必要があるが、トータル断面積を増加させるために多数のワイヤをボンディングしていた。特許文献１には、例えばパワー系半導体素子と外部電極端子とをボンディングワイヤにて接続して構成した半導体装置の一例が開示されている。
また、図８に示す半導体装置３００においては、半導体素子３１０上面の素子電極端子３１３とバスバー３７０、および半導体素子３１０下面に接続される配線電極３５０とバスバー３７１とを、それぞれ多数のボンディングワイヤ３６０・３６０・・・にて接続している。

このように多数のワイヤをボンディングする構成では、該ワイヤをボンディングするための素子電極端子や外部電極端子などのボンディングスペースを多く必要とするため、装置の小型化が困難であるという問題があった。
従って、ワイヤが占めるスペースを小さくするために、テープ状に形成して断面積を増加させたワイヤを超音波接合して、ワイヤの接合スペースを小さくしつつワイヤの断面積を確保することも行われている。
さらに、ボンディングワイヤの溶断電流値を大きくするために、電気抵抗がアルミよりも小さな銅材を、ボンディングワイヤとして用いることも行われている。
特開平１１−１９５７２５号公報

前述のごとく、テープ状に形成したワイヤを、例えば半導体素子に超音波接合する場合、広い範囲に超音波を付与してボンディングする必要があるため、半導体素子に加わる超音波エネルギーが大きくなり、該半導体素子にダメージを与える恐れがある。
また、電気抵抗が小さい銅材をワイヤとして用いた場合も、銅材はアルミよりも硬度が高いため、超音波にて素子電極端子にボンディングするためには、付与する超音波エネルギーを大きくする必要があり、半導体素子にダメージを与える恐れがある。
そこで、本発明においては、半導体素子にダメージを与えることなく、省スペースで大きな接続断面積を確保することができる半導体素子の配線接続方法および半導体装置を提供するものである。

上記課題を解決する半導体素子の配線接続方法および半導体装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、半導体素子の表面に形成される素子電極端子に配線を接続する配線接続方法であって、前記配線を帯状に形成し、前記配線の素子電極端子との接続面、および素子電極端子に、前記半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材を膜付けし、前記配線の素子電極端子との接続面と素子電極端子とを突合せた状態で加熱して、前記配線の素子電極端子との接続面に膜付けされた第１の金属材と、素子電極端子に膜付けされた第１の金属材とを融合させることにより、半導体素子の素子電極端子と配線とを面接続する。
これにより、半導体素子と配線との接続時に半導体素子に与えるダメージを抑えつつ、半導体素子と配線との接続断面積を大きくすることができ、省スペースで溶断電流値を大きくすることが可能となる。

また、請求項２記載の如く、前記素子電極端子は半導体素子の両面に形成されており、
前記両面の素子電極端子に対して、同時に前記配線との面接続を行う。
これにより、配線の半導体装置上面への接続、および下面への接続を別々に行った場合に比べて、生産工程を集約することができ、生産性の向上を図ることができる。
また、配線の半導体素子上下面への接続を、ともに半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材層を溶融させることで行うといったように、同様の接続手法を用いて行うため、半導体素子上面と配線との接続部、および半導体素子下面と配線との接続部の品質管理を同様の管理項目に基づいて行うなど、品質管理を簡素化することができる。

また、請求項３記載の如く、前記配線に膜付けされる第１の金属材の下層、および前記半導体素子に膜付けされる第１の金属材の下層の少なくとも一方には、第１の金属材が溶融している温度で、該第１の金属材と合金化する第２の金属材が膜付けされる。
これにより、第２の金属材として、第１の金属材と合金化することにより第１の金属材よりも高い融点の合金となる金属材を選択することで、半導体素子と配線との接続を低い温度で行って半導体素子へのダメージを低減させつつ、接続後には半導体素子と配線との接続部の耐熱性を向上させることができる。

また、請求項４記載の如く、前記第１の金属材は、錫または錫を含む合金であり、前記第２の金属材は、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、またはこれらの何れかを含む合金である。
これにより、半導体素子と配線との接続時第１の金属材を溶融させると、第１の金属材と第２の金属材とが合金化して、第１の金属材よりも高融点の合金が生成することとなるため、半導体素子と配線との接続を低い温度で行って半導体素子へのダメージを低減させつつ、接続後には半導体素子と配線との接続部の耐熱性を向上させることができる。

また、請求項５記載の如く、半導体素子の表面に形成される素子電極端子に配線を接続した半導体装置であって、表面に前記半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材を膜付けした素子電極端子と、帯状に形成され、前記素子電極端子との接続面に前記第１の金属材を膜付けした配線とを、突合せた状態で加熱して、前記配線に膜付けされた第１の金属材と、素子電極端子に膜付けされた第１の金属材とを融合させることにより、前記半導体素子の素子電極端子と配線とが面接続されている。
これにより、半導体素子と配線との接続時に半導体素子に与えるダメージを抑えつつ、半導体素子と配線との接続断面積を大きくすることができ、省スペースで溶断電流値を大きくすることが可能となる。

また、請求項６記載の如く、前記素子電極端子は半導体素子の両面に形成されており、
前記両面の素子電極端子に対して前記配線が面接続されている。
これにより、配線の半導体装置上面への接続、および下面への接続を別々に行った場合に比べて、生産工程を集約することができ、生産性の向上を図ることができる。
また、配線の半導体素子上下面への接続を、ともに半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材層を溶融させることで行うといったように、同様の接続手法を用いて行うため、半導体素子上面と配線との接続部、および半導体素子下面と配線との接続部の品質管理を同様の管理項目に基づいて行うなど、品質管理を簡素化することができる。

また、請求項７記載の如く、前記配線に膜付けされた第１の金属材の下層、および前記半導体素子に膜付けされた第１の金属材の下層には、第１の金属材が溶融している温度で、該第１の金属材と合金化する第２の金属材が膜付けされている。
これにより、第２の金属材として、第１の金属材と合金化することにより第１の金属材よりも高い融点の合金となる金属材を選択することで、半導体素子と配線との接続を低い温度で行って半導体素子へのダメージを低減させつつ、接続後には半導体素子と配線との接続部の耐熱性を向上させることができる。

また、請求項８記載の如く、前記第１の金属材は、錫または錫を含む合金であり、前記第２の金属材は、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、またはこれらの何れかを含む合金である。
これにより、半導体素子と配線との接続時第１の金属材を溶融させると、第１の金属材と第２の金属材とが合金化して、第１の金属材よりも高融点の合金が生成することとなるため、半導体素子と配線との接続を低い温度で行って半導体素子へのダメージを低減させつつ、接続後には半導体素子と配線との接続部の耐熱性を向上させることができる。

本発明によれば、半導体素子と配線との接続時に半導体素子に与えるダメージを抑えつつ、半導体素子と配線との接続断面積を大きくすることができ、省スペースで溶断電流値を大きくすることが可能となる。また、接続後には半導体素子と配線との接続部の耐熱性を向上させることができる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
図１に示す半導体装置１は、半導体素子１０と、配線３０と、該半導体素子１０と配線３０とを電気的に接続している接合層２０とを備えている。
半導体素子１０は、回路形成がなされたシリコン素子１１と、該シリコン素子１１の上面に形成されるアルミ配線層１２と、該アルミ配線層１２の上面に形成される第２の金属材層１３とを備えている。
第２の金属材層１３は、例えば銅（Ｃｕ）にて構成されているが、銅以外にも、銅合金や、アルミニウム、ニッケル、チタン、またはこれらの何れかを含む合金といった金属材を用いることができる。

配線３０は、帯状に形成された銅材にて構成されている。ここで、帯状とは、所定の幅を有した細長い形状の薄板状のものを指しており、平紐状、平板状、テープ状のものなども含まれる。
また、本例では、配線３０に電気伝導度の高い銅材を用いることで、アルミ材を用いた場合などに比べて、該配線３０の許容電流値を高めることができ、配線３０の数や接続面積を減少させて、低コスト化および生産性向上を図ることが可能となっている。

また、前記配線３０と、半導体素子１０の第２の金属材層１３とを接続している接合層２０は、例えば錫に銅原子が分散してできた錫と銅の合金材にて構成されている。
なお、半導体素子１０と接続される配線３０の先端側は、前記半導体装置１のバスバー（図示せず）などに接続されている。
このように接合層２０を介して接続されている配線３０と半導体素子１０とは、配線３０が帯状に形成されていることにより、面接続されている。

次に、このように構成される半導体装置１における、半導体素子１０と配線３０との接続方法について説明する。
図２に示すように、配線３０が接続される前の半導体素子１０は、前記シリコン素子１１の上面にアルミ配線層１２が形成され、該アルミ配線層１２の上面に第２の金属材層１３がされており、さらに第２の金属材層１３の上面に第１の金属材層１４が形成されている。

前記第１の金属材層１４および第２の金属材層１３は、例えば前記アルミ配線層１２における、配線３０の接続部分である素子電極端子部分に形成されている。
また、前記半導体素子１０に接続される前の配線３０においては、半導体素子１０との接続面に、第１の金属材層３１が膜付けされている。

半導体素子１０の第１の金属材層１４は、例えばスパッタリングにより成膜され、配線３０の第１の金属材層３１は、例えばメッキにより成膜されている。
また、前記第１の金属材層１４および第１の金属材層３１は、半導体素子１０の耐熱温度以下の温度で溶融する金属材により構成されている。該金属材としては、例えば錫や、錫を含み錫の融点（２３２℃）と同等もしくはそれよりも低い温度が融点となる低融点合金が用いられる。

図３に示すように、配線３０を半導体素子１０に接続する場合には、前述のごとく膜付けされた半導体素子１０の第１の金属材層１４と、配線３０の第１の金属材層３１とを付き合わせた状態とし、該配線３０の上方から加圧・加熱治具４０を押圧させて、半導体素子１０の第１の金属材層１４と配線３０の第１の金属材層３１との付き合わせ面を加圧する。

加圧・加熱治具４０は、前記突き合せ面を加圧しながら所望の温度に加熱することが可能な金属部材にて構成されており、該加圧・加熱治具４０の周囲には加熱具４１が設けられている。
加熱具４１は、加圧・加熱治具４０を所定の温度に加熱するものであり、例えば高周波誘導加熱装置の高周波加熱コイルやニクロム線などが加圧・加熱治具４０の周囲に配置されている。

この加熱具４１により加圧・加熱治具４０を加熱することにより、該加圧・加熱治具４０は、半導体素子１０と配線３０との突き合せ面を加圧しながら加熱することができるホットプレートとなる。
なお、前記加熱具４１は、前記の高周波加熱コイルなどに限られず、加圧・加熱治具４０を所望の温度に加熱・制御できるものであればよい。

加圧・加熱治具４０により、半導体素子１０と配線３０との突き合せ面を加圧しながら、該突き合せ面が所定の温度となるように加熱する。
前記突き合せ面の加熱温度は、前記第１の金属材層１４・３１の融点よりも高く、半導体素子１０の耐熱温度よりも低い温度となる範囲に制御する。
例えば、第１の金属材層１４・３１が錫にて構成され、半導体素子１０の耐熱温度が５００℃であった場合には、前記突き合せ面の加熱温度は２３２℃より高く、５００℃よりも低い温度の範囲に、半導体素子１０と配線３０との突き合せ面の温度がコントロールされる。

このように、半導体素子１０と配線３０との突き合せ面を加圧しながら加熱すると、第１の金属材層１４・３１は、次第に軟化してやがて溶融する。
ここで、半導体素子１０と配線３０との突き合せ面がまだ加熱されておらず、第１の金属材層１４・３１が凝固している状態では、該第１の金属材層１４の表面および第１の金属材層３１の表面には、第１の金属材層１４・３１を構成する金属材の酸化物皮膜が形成されている。これにより、前記突き合せ面における第１の金属材層１４と第１の金属材層３１との境界に酸化物皮膜が介在することとなっている。

しかし、第１の金属材層１４・３１が加熱により溶融すると、半導体素子１０と配線３０との突き合せ面は加圧されているので、第１の金属材層１４の表面および第１の金属材層３１の表面に形成されていた酸化物皮膜が小片に分解されて、溶融した第１の金属材層１４内および第１の金属材層３１内に分散し、第１の金属材層１４と第１の金属材層３１との境界からは消失することとなる。
これにより、溶融した第１の金属材層１４と第１の金属材層３１とが融合して一体化し、その後、一体化により単層化した第１の金属材層１４・３１が冷却されて凝固すると、図１に示す接合層２０となる。

この場合、接合層２０により接続された半導体素子１０と配線３０との間の接続抵抗を低くし、高い機械的な接続強度を確保するためには、接合層２０に生じるボイド欠陥がないことが好ましく、ボイド欠陥の発生を防止するためには、加圧・加熱治具４０による加圧・加熱時に、第１の金属材層１４と第１の金属材層３１とを全面的に密着させておくことが好ましい。

しかし、実際の製品における第１の金属材層１４の表面と、第１の金属材層３１の表面とには、ある程度の歪みが存在するため、その全面を密着させることは困難である。
そこで、表面の歪みにより、第１の金属材層１４と第１の金属材層３１との間に生じる隙間を埋めるべく、前記歪みの大きさに応じて第１の金属材層１４の膜厚および第１の金属材層３１の膜厚を設定している。
例えば、表面の歪みにより、第１の金属材層１４と第１の金属材層３１との間に生じる隙間の大きさが５μｍであった場合には、第１の金属材層１４の膜厚および第１の金属材層３１の膜厚を共に３μｍ程度に設定すると、加圧・加熱治具４０により第１の金属材層１４および第１の金属材層３１が加圧された状態で溶融したときに、その隙間を埋めることができ、ボイド欠陥の発生を防止することができる。

また、半導体素子１０と配線３０との接続時に、第１の金属材層１４および第１の金属材層３１が溶融すると、該第１の金属材層１４および第１の金属材層３１の表面の酸化物皮膜が小片に分解されて内部に分散することとなるので、大気雰囲気中で半導体素子１０と配線３０との接続を行ったとしても、前記酸化物皮膜の影響を受けることなく良好な接合を行うことが可能となっている。

また、半導体素子１０と配線３０との接続時において、加圧・加熱治具４０により第１の金属材層１４・３１が加熱されて溶融している状態では、該第１の金属材層１４および第１の金属材層３１の下層に隣接し、銅材にて構成されている第２の金属材層１３および配線３０から、溶融状態の第１の金属材層１４および第１の金属材層３１へ、銅原子が拡散して、錫と銅とが合金化する。
錫と銅との合金化速度は、第１の金属材層１４および第１の金属材層３１の加熱温度が高い方が速くなるが、本例の場合、４００℃程度の加熱温度であれば錫と銅とが合金化して、前述の接合層２０を形成することが可能である。

溶融した錫の内部に銅の原子が分散して錫と銅の合金が形成されると、その融点は例えば４１５℃程度になる。
半導体素子１０と配線３０とを接合して接合層２０が形成される前の第１の金属材層１４・３１は、例えば錫や、錫を含む低融点合金にて構成されており、その融点は２３２℃程度以下となっている。
このように、低融点の金属材を第１の金属材層１４・３１として用いることで、低い温度で第１の金属材層１４・３１を溶融させて、半導体素子１０と配線３０とを接続することができ、半導体素子１０へ加わる熱によるダメージを低減させることが可能となっている。

一方、溶融状態の第１の金属材層１４と第１の金属材層３１とが一体化するとともに、銅原子が分散して錫と銅とが合金化してできた接合層２０の融点は、合金化する前の融点よりも高くなり、半導体素子１０と配線３０との接合部の耐熱性が向上することとなる。

また、配線３０が銅材により構成されているため、半導体素子１０における第１の金属材層１４の下層に第２の金属材層１３を形成しなくても、配線３０から銅原子を分散させることで前記接合層２０を錫と銅との合金とすることができるが、本例のように、第１の金属材層１４の下層に銅材で構成される第２の金属材層１３を設けることで、錫材に対する銅原子の分散量を増加させて、錫と銅との合金化速度を速くすることが可能となっている。

なお、配線３０を銅材にて構成することで、第１の金属材層１４の下層に第２の金属材層１３を設けた半導体素子１０の場合と同様に、該配線３０は、第１の金属材層３１の下層に銅材で構成される第２の金属材層を設けた構成と同様の構成となっている。つまり、銅材で構成された配線３０は、銅材で構成された第２の金属材層としての役割も果たしている。

また、半導体素子１０における第２の金属材層１３は、本例の場合、銅材にて構成しているが、該第２の金属材層１３を例えばニッケルなどにて構成した場合も、接合層２０が錫とニッケルなどとの合金となって、合金化する前の錫の融点よりも高い融点の接合層２０を得ることが可能となる。

また、本例の半導体装置１においては、該配線３０に膜付けされた第１の金属材層３１および半導体素子１０に膜付けされた第１の金属材層１４を、半導体素子１０の耐熱温度よりも低い温度で溶融させることにより、帯状に形成された配線３０を半導体素子１０に面接続しているので、半導体素子１０に与えるダメージを抑えつつ、半導体素子１０と配線３０との接続断面積を大きくすることができ、省スペースで溶断電流値を大きくすることが可能となっている。

＜第２の実施形態＞
図４、図５に示す半導体装置１００は、半導体素子１１０と、配線１３０と、配線電極１５０と、該半導体素子１１０の上面と配線１３０とを電気的に接続している接合層１２０、および半導体素子１１０の下面と配線電極１５０とを電気的に接続している接合層１４０とを備えている。
半導体素子１１０は、回路形成がなされたシリコン素子１１１と、該シリコン素子１１１の上面に形成されるアルミ配線層１１２と、該アルミ配線層１１２の上面に形成される第２の金属材層１１３と、前記シリコン素子１１１の下面に形成されるアルミ配線層１１７とを備えている。
第２の金属材層１１３は、例えば銅（Ｃｕ）にて構成されているが、銅以外にも、銅合金や、アルミニウム、ニッケル、チタン、またはこれらの何れかを含む合金といった金属材を用いることができる。

前記配線１３０は、前述の実施形態における配線３０と同様に、帯状に形成された銅材にて構成されている。
また、前記配線電極１５０は板状に形成された銅材にて構成される配線部材であり、例えば半導体素子１１０の下面の面積よりも大きく形成されている。
このように、配線１３０および配線電極１５０に電気伝導度の高い銅材を用いることで、アルミ材を用いた場合などに比べて、該配線１３０の許容電流値を高めることができ、配線１３０の数や接続面積を減少させて、低コスト化および生産性向上を図ることが可能となっている。

また、前記配線１３０と半導体素子１１０の第２の金属材層１１３とを接続している接合層１２０、および前記配線電極１５０と半導体素子１１０の下面のアルミ配線層１１７とを接続している接合層１４０は、例えば錫に銅原子が分散してできた錫と銅の合金材にて構成されている。
なお、半導体素子１１０と接続される前記配線１３０の先端側は、前記半導体装置１のバスバー１７０に接続され、前記配線電極１５０は、帯状に形成される電極１６０・１６０を介してバスバー１７１に接続されている。
このように接合層１２０を介して接続されている配線１３０と半導体素子１１０とは、配線１３０が帯状に形成されていることにより面接続されており、接合層１４０を介して接続されている配線電極１５０と半導体素子１１０とは、配線電極１５０が板状に形成されていることにより面接続されている。

次に、このように構成される半導体装置１００における、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続方法について説明する。なお、前述の第１の実施形態と説明が重複する部分については説明を省略する。

図６に示すように、配線１３０および配線電極１５０が接続される前の半導体素子１１０においては、前記シリコン素子１１１の上面にアルミ配線層１１２が形成され、該アルミ配線層１１２の上面に第２の金属材層１１３がされており、さらに第２の金属材層１１３の上面に第１の金属材層１１４が形成されている。
また、前記シリコン素子１１１の下面にはアルミ配線層１１７が形成され、該アルミ配線層１１７の下面に第１の金属材層１１９がされている。

前記シリコン素子１１１の上面側に配置される、第１の金属材層１１４および第２の金属材層１１３は、例えば前記アルミ配線層１１２における、配線１３０の接続部分である素子電極端子部分に形成されており、シリコン素子１１１の下面側に配置される、第１の金属材層１１９は、例えば前記アルミ配線層１１７における、配線端子１５０との接続部分である素子電極端子部分に形成されている。
また、前記半導体素子１１０に接続される前の配線１３０、および配線電極１５０においては、半導体素子１１０との接続面に、それぞれ第１の金属材層１３１および第１の金属材層１５１が膜付けされている。

半導体素子１１０の第１の金属材層１１４・１１９は、例えばスパッタリングにより成膜され、配線１３０の第１の金属材層１３１および配線端子１５０の第１の金属材層１５１は、例えばメッキにより成膜されている。
また、前記各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１は、半導体素子１１０の耐熱温度以下の温度で溶融する金属材により構成されている。該金属材としては、例えば錫や、錫を含み錫の融点（２３２℃）と同等もしくはそれよりも低い温度が融点となる低融点合金が用いられる。

図７に示すように、配線１３０および配線電極１５０を半導体素子１０に接続する場合には、前述のごとく膜付けされた半導体素子１１０の上面側の第１の金属材層１１４と、配線１３０の第１の金属材層１３１とを付き合わせるとともに、半導体素子１１０の下面側の第１の金属材層１１９と、配線電極１５０の第１の金属材層１５１とを付き合わせた状態とする。
そして、重ね合わせた状態の配線電極１５０、半導体素子１１０、および配線１３０を、加熱治具６０上に載置するとともに、前記配線１３０の上方から前記加圧・加熱治具４０を押圧させて、半導体素子１１０の第１の金属材層１１４と配線１３０の第１の金属材層１３１との付き合わせ面、および半導体素子１１０の第１の金属材層１１９と配線端子１５０の第１の金属材層１５１との付き合わせ面を加圧する。

前記加熱治具６０は、前記第１の金属材層１１９と第１の金属材層１５１との付き合わせ面を所望の温度に加熱することが可能な金属部材にて構成されており、該過熱治具６０の内部には加熱具６１が埋設されている。
加熱具６１は、前記加熱治具６０を所定の温度に加熱するものであり、例えば高周波誘導加熱装置の高周波加熱コイルやニクロム線などにて構成される。
この加熱具６１により加熱治具６０を加熱することにより、該加熱治具６０は、半導体素子１１０と配線電極１５０との突き合せ面を所定の温度に加熱することができるホットプレートとなる。
なお、前記加熱具６１は、前記の高周波加熱コイルなどに限られず、加圧・加熱治具６０を所望の温度に加熱・制御できるものであればよい。

また、本実施形態における加圧・加熱治具４０は、第１の実施形態の加圧・加熱治具４０と同様に構成されており、前記配線１３０の上方から該加圧・加熱治具４０を押圧させて、半導体素子１１０の第１の金属材層１１４と配線１３０の第１の金属材層１３１との付き合わせ面、および半導体素子１１０の第１の金属材層１１９と配線端子１５０の第１の金属材層１５１との付き合わせ面を加圧しながら、半導体素子１１０の第１の金属材層１１４と配線１３０の第１の金属材層１３１との突き合せ面を所定の温度に加熱することができる。

前述のように、配線１３０の上方から前記加圧・加熱治具４０を押圧させて、該加圧・加熱治具４０と加熱治具６０との間に、配線１３０、半導体素子１１０、および配線電極１５０を挟み込むことで、半導体素子１１０の第１の金属材層１１４と配線１３０の第１の金属材層１３１との付き合わせ面、および半導体素子１１０の第１の金属材層１１９と配線端子１５０の第１の金属材層１５１との付き合わせ面を加圧しながら、所定の温度に加熱する。
この場合、前記両突き合せ面の加熱温度は、前述の第１の実施形態の場合と同様に、前記第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１の融点よりも高く、半導体素子１１０の耐熱温度よりも低い温度となる範囲に制御する。

このように、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との突き合せ面を加圧しながら加熱すると、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１は、次第に軟化してやがて溶融する。
ここで、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との突き合せ面がまだ加熱されておらず、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１が凝固している状態では、該各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１表面には、各金属材の酸化物皮膜が形成されている。これにより、前記突き合せ面における第１の金属材層１１４と第１の金属材層１３１との境界、および第１の金属材層１１９と第１の金属材層１５１との境界に酸化物皮膜が介在することとなっている。

しかし、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１が加熱により溶融すると、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との突き合せ面は加圧されているので、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１の表面に形成されていた酸化物皮膜が小片に分解されて、溶融した各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１内に分散し、第１の金属材層１１４と第１の金属材層１３１との境界、および金属材層１１９と第１の金属材層１５１との境界からは消失することとなる。
これにより、溶融した第１の金属材層１１４と第１の金属材層１３１、および金属材層１１９と第１の金属材層１５１とが融合してそれぞれ一体化し、その後、一体化により単層化した第１の金属材層１１４と第１の金属材層１３１、および第１の金属材層１１９と第１の金属材層１５１とが冷却されて凝固すると、それぞれ図４に示す接合層１２０および接合層１４０となる。

この場合、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１の膜厚は、前述の第１の実施形態の場合と同様に、接合層１２０および接合層１４０にボイド欠陥が発生しないように、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１表面の歪みに応じた膜厚に設定している。
また、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続時に、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１が溶融すると、該各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１の表面の酸化物皮膜が小片に分解されて内部に分散することとなるので、大気雰囲気中で半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続を行ったとしても、前記酸化物皮膜の影響を受けることなく良好な接合を行うことが可能となっている。

また、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続時において、加圧・加熱治具４０および加熱治具６０により各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１が加熱されて溶融している状態では、該第１の金属材層１１４、第１の金属材層１３１、および第１の金属材層１５１の下層に隣接し、銅材にて構成されている第２の金属材層１１３、配線１３０、および配線電極１５０から、溶融状態の第１の金属材層１１４、第１の金属材層１３１、および第１の金属材層１５１へ、それぞれ銅原子が拡散して、錫と銅とが合金化する。
錫と銅との合金化速度は、各第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１の加熱温度が高い方が速くなるが、本例の場合、４００℃程度の加熱温度であれば錫と銅とが合金化して、前述の接合層１２０および接合層１４０を形成することが可能である。

前述のごとく、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０とを接合して接合層１２０・１４０が形成される前の第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１は、例えば錫や、錫を含む低融点合金にて構成されており、その融点は２３２℃程度以下となっているのに対し、溶融した錫の内部に銅の原子が分散して錫と銅の合金となる接合層１２０・１４０が形成されると、その融点は例えば４１５℃程度になる。
従って、本例の場合も、低融点の金属材を第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１として用いることで、低い温度で第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１を溶融させて半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続を行うことができ、半導体素子１１０へ加わる熱によるダメージを低減させるとともに、高融点の接合層１２０・１４０により半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続部の耐熱性を向上させることが可能となる。

また、配線１３０および配線１５０が銅材により構成されているため、半導体素子１１１０における第１の金属材層１１４および第１の金属材層１１９の下層に、銅材にて構成された第２の金属材層を形成しなくても、配線１３０および配線電極１５０から銅原子を分散させることで前記接合層１２０・１４０を錫と銅との合金とすることが可能となっている。
しかし、本例では、第１の金属材層１１４の下層に銅材で構成される第２の金属材層１１３を設けており、錫材に対する銅原子の分散量を増加させて、錫と銅との合金化速度を増加させている。

なお、配線１３０および配線電極１５０を銅材にて構成することで、第１の金属材層１１４の下層に第２の金属材層１１３を設けた半導体素子１１０上面の場合と同様に、該配線１３０および配線電極１５０は、第１の金属材層１３１・１５１の下層に銅材で構成される第２の金属材層を設けた構成と同様の構成となっている。つまり、銅材で構成された配線１３０および配線電極１５０は、銅材で構成された第２の金属材層としての役割も果たしている。

以上のごとく、本実施形態における半導体装置においては、加圧・加熱治具４０および加熱治具６０により、半導体素子１１０の第１の金属材層１１４と配線１３０の第１の金属材層１３１との付き合わせ面、および半導体素子１１０の第１の金属材層１１９と配線端子１５０の第１の金属材層１５１との付き合わせ面を加圧および加熱することで、半導体素子１１０の上面と配線１３０との接続、および半導体素子１１０の下面と配線電極１５０との接続を、同時に行っている。

このように、半導体素子１１０と配線１３０および配線電極１５０との接続を同時に行うことで、該配線１３０および配線電極１５０を別々に接続した場合に比べて、生産工程を集約することができ、生産性の向上を図ることができる。
また、配線１３０の半導体素子１１０上面への接続、および配線電極１５０の半導体素子１１０下面への接続を、ともに半導体素子１１０の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材層１１４・１１９・１３１・１５１を溶融させることで行うといったように、同様の接続手法を用いて行っているため、半導体素子１１０上面と配線１３０との接続部、および半導体素子１１０下面と配線電極１５０との接続部の品質管理を同様の管理項目に基づいて行うなど、品質管理を簡素化することができる。

第１の実施形態における半導体装置を示す側面断面図である。 第１の実施形態における半導体装置であって、配線と半導体素子とが接続される前の状態を示す側面断面図である。 第１の実施形態における半導体装置であって、配線と半導体素子との接続時の状態を示す側面断面図である。 第２の実施形態における半導体装置を示す側面断面図である。 第２の実施形態における半導体装置を示す平面図である。 第２の実施形態における半導体装置であって、配線と半導体素子とが接続される前の状態を示す側面断面図である。 第２の実施形態における半導体装置であって、配線と半導体素子との接続時の状態を示す側面断面図である。 従来の半導体装置を示す平面図である。

符号の説明

１・１００ 半導体装置
１０・１１０ 半導体素子
１１・１１１ シリコン素子
１２・１１２・１１７ アルミ配線層
１３・１１３ 第２の金属材層
１４・３１・１１４・１１９・１３１・１５１ 第１の金属材層
２０・１２０・１４０ 接合層
３０・１３０ 配線
４０ 加圧・加熱治具
６０ 加熱治具
１５０ 配線電極

Claims (8)

1. 半導体素子の表面に形成される素子電極端子に配線を接続する配線接続方法であって、
   前記配線を帯状に形成し、
   前記配線の素子電極端子との接続面、および素子電極端子に、前記半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材を膜付けし、
   前記配線の素子電極端子との接続面と素子電極端子とを突合せた状態で加熱して、
   前記配線の素子電極端子との接続面に膜付けされた第１の金属材と、素子電極端子に膜付けされた第１の金属材とを融合させることにより、半導体素子の素子電極端子と配線とを面接続する、
   ことを特徴とする半導体素子の配線接続方法。
2. 前記素子電極端子は半導体素子の両面に形成されており、
   前記両面の素子電極端子に対して、同時に前記配線との面接続を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の配線接続方法。
3. 前記配線に膜付けされる第１の金属材の下層、および前記半導体素子に膜付けされる第１の金属材の下層の少なくとも一方には、
   第１の金属材が溶融している温度で、該第１の金属材と合金化する第２の金属材が膜付けされる、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の配線接続方法。
4. 前記第１の金属材は、錫または錫を含む合金であり、
   前記第２の金属材は、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、またはこれらの何れかを含む合金である、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体素子の配線接続方法。
5. 半導体素子の表面に形成される素子電極端子に配線を接続した半導体装置であって、
   表面に前記半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融する第１の金属材を膜付けした素子電極端子と、帯状に形成され、前記素子電極端子との接続面に前記第１の金属材を膜付けした配線とを、突合せた状態で加熱して、
   前記配線に膜付けされた第１の金属材と、素子電極端子に膜付けされた第１の金属材とを融合させることにより、前記半導体素子の素子電極端子と配線とが面接続されている、
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 前記素子電極端子は半導体素子の両面に形成されており、
   前記両面の素子電極端子に対して前記配線が面接続されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記配線に膜付けされた第１の金属材の下層、および前記半導体素子に膜付けされた第１の金属材の下層には、
   第１の金属材が溶融している温度で、該第１の金属材と合金化する第２の金属材が膜付けされている、
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第１の金属材は、錫または錫を含む合金であり、
   前記第２の金属材は、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、またはこれらの何れかを含む合金である、
   ことを特徴とする請求項５〜請求項７の何れかに記載の半導体装置。

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