JP2014082367A - パワー半導体装置 - Google Patents

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wire
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semiconductor device
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Takashi Yamada
隆 山田
Hiroyuki Deai
博之 出合
Motoki Eto
基稀 江藤
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Nippon Micrometal Corp
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Abstract

【課題】パワー半導体装置において、ボンディングワイヤとしてＣｕボンディングワイヤを用いても、チップクラックが発生しないパワー半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ１としてＳｉＣ単結晶チップを用い、ＳｉＣ単結晶チップ上にボンディングワイヤ３と接続するための電極２を有し、電極２はその中にＴａの硬度と同等又はそれ以上の硬度を有する保護層７を少なくとも１層有し、電極の最上層６はＣｕ又はＣｕ合金層であり、電極２に接続するボンディングワイヤ３はＣｕ又はＣｕ合金ワイヤであることを特徴とするパワー半導体装置。保護層７は、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか又はそれらの合金からなり、保護層７の膜厚が０．５μｍ以上であるとよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体装置に関するものである。
インバータ装置をはじめとする電力変換器の半導体スイッチング素子、ハイブリッド車や電気自動車の電気モータを制御する電気制御ユニットには、大電流が流れるパワー半導体装置が用いられる。ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＧＣＴ（Insulated Gate Controlled Thyristor）などが知られている。
パワー半導体装置は、図２に示すように、基板４上に配置された半導体チップ１の上に回路が形成され、半導体チップ１上に電極２を形成し、この電極２にボンディングワイヤ３を接続し（超音波接合部５）、他の半導体チップや半導体装置基板上の電極との間が電気的に接続される。半導体チップ１として、現在はＳｉ単結晶チップが用いられる場合が多い。しかし近年では特許文献１に記載のように、ＳｉＣ単結晶によるパワー半導体が実用化されつつある。ＳｉＣ単結晶チップは耐熱性に優れるため、より高温の環境下でも安定動作する。
超ＬＳＩなどの大規模集積回路半導体装置においては、ボンディングワイヤとして従来はＡｕワイヤが用いられていた。最近はＣｕワイヤの使用が急速に伸びている。それに対してパワー半導体装置においては、ボンディングワイヤとしてＡｌワイヤが用いられている。特許文献２には、パワー半導体モジュールに線径３００μｍのＡｌワイヤを用いる発明が記載されている。
パワー半導体装置の半導体チップ上に形成する電極としては、例えば半導体チップがＳｉ単結晶チップであり、Ｓｉ単結晶と接触する部分にＡｌ層、その上にＣｒ層やＮｉ層、最上層にＡｇ層やＡｕ層を有する多層構造が採用される。最下層に形成するＡｌ層は、Ｓｉ単結晶との間にオーミックコンタクトを得ることとＳｉ単結晶との密着性を向上させるために用いる。Ｃｒ層はＡｌ層との密着性を向上させるため、Ｎｉ層はＡｌ層とＡｇ層との反応防止が目的である（例えば特許文献３参照）。
特許文献４においては、Ｃｕ又はＣｕ合金から成る芯線と、該芯線の表面に１０〜２００ｎｍの厚さを有するＰｄを含む被覆層と、該被覆層の表面に３〜８０ｎｍの厚さを有するＡｕとＰｄとを含む合金層とを有するボンディングワイヤを用いる発明が開示されている。
特開２０１０−２２５９２５号公報 特開２００２−３１４０３８号公報 特開平９−２３７８６８号公報 特開２０１１−７７２５４号公報
パワー半導体装置に使用されるボンディングワイヤとして、従来はＡｌボンディングワイヤが用いられていた。パワー半導体装置の使用環境において高温と低温の繰り返しが付加される、いわゆる温度サイクル試験を実施すると、ボンディングワイヤと電極との接合部付近において、ボンディングワイヤにクラック（以下「ワイヤクラック」という。）が発生する問題があった。
パワー半導体装置のボンディングワイヤとしてＣｕボンディングワイヤを使用すると、上記Ａｌボンディングワイヤで問題となったワイヤクラックの発生は防止できる。一方で、ＣｕはＡｌに比較して硬く、またパワー半導体装置のボンディングワイヤは大規模集積回路半導体装置に比較して太いため、Ｃｕボンディングワイヤを半導体素子上の電極に接合する際、Ａｌワイヤに比較して数倍の荷重を付加することが必要となり、その際に電極直下の半導体チップにクラック（以下「チップクラック」という。）が発生しやすいという問題がある。
本発明は、パワー半導体装置において、ボンディングワイヤとしてＣｕボンディングワイヤを用いても、チップクラックが発生しないパワー半導体装置を提供することを目的とする。
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）半導体チップとしてＳｉＣ単結晶チップを用い、該ＳｉＣ単結晶チップ上にボンディングワイヤと接続するための電極を有し、該電極はその中にＴａの硬度と同等又はそれ以上の硬度を有する保護層を少なくとも１層有し、電極の最上層はＣｕ又はＣｕ合金層であり、該電極に接続するボンディングワイヤはＣｕ又はＣｕ合金ワイヤであることを特徴とするパワー半導体装置。
（２）前記保護層は、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか又はそれらの合金からなり、保護層の膜厚が０．５μｍ以上であることを特徴とする上記（１）に記載のパワー半導体装置。
（３）前記ボンディングワイヤは直径が５０μｍ以上であり、前記電極に超音波接合されてなることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のパワー半導体装置。
（４）前記保護層とＳｉＣ単結晶チップとの間に、コンタクト層を有することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のパワー半導体装置。
本発明のパワー半導体装置は、半導体チップとしてＳｉＣ単結晶チップを用い、ＳｉＣ単結晶チップ上にボンディングワイヤと接続するための電極はその中にＴａの硬度と同等又はそれ以上の硬度を有する保護層を少なくとも１層有し、電極に接続するボンディングワイヤはＣｕ又はＣｕ合金ワイヤであるため、パワー半導体装置の使用環境において高温と低温の繰り返しが付加されても、ボンディングワイヤと電極との接合部付近において、ボンディングワイヤにクラック（ワイヤクラック）が発生せず、電極直下の半導体チップにクラック（チップクラック）が発生しない。
本発明のパワー半導体装置における電極の一例を示す断面図である。 半導体装置の概略を示す断面図である。
図２に半導体装置の断面概略図を示し、図１に本発明のパワー半導体装置の電極構造概略の断面図を示す。
パワー半導体装置は、装置を構成する基板４上に半導体チップ１を載置している。本発明のパワー半導体装置は、半導体チップ１上の電極２と接続するボンディングワイヤ３としてＣｕ又はＣｕ合金ワイヤを用いる。従来、パワー半導体装置のボンディングワイヤとして用いられていたＡｌワイヤに比較し、Ｃｕ又はＣｕ合金ワイヤであればワイヤクラックの発生を防止できるからである。一般にＡｌの再結晶化温度は１５０℃程度であり、これを上回る温度下に曝されると、再結晶が進み、ワイヤの接合面からの剥離や断線を引き起こす場合がある。一方Ｃｕの再結晶化温度は３００℃以上であるため、いかなるパワー半導体の使用環境下であっても再結晶化の問題は回避できる。
しかし一方で、ＣｕはＡｌに比較して硬い。またパワー半導体装置のボンディングワイヤはその太さが５０〜５００μｍであって、大規模集積回路半導体装置のボンディングワイヤに比較して太い。そのため、Ｃｕボンディングワイヤを半導体素子上の電極に接合する際、Ａｌワイヤに比較して数倍の荷重と超音波出力を付加することが必要となり、その際に電極直下の半導体チップにチップクラックが発生することとなる。本発明においては、装置を構成する半導体チップとしてＳｉＣ単結晶チップを用い、ＳｉＣ単結晶チップ上の電極の中にＴａの硬度と同等又はそれ以上の硬度を有する保護層を少なくとも１層形成することにより、Ｃｕボンディングワイヤ使用時のチップクラック発生問題を解決した。
チップクラックの発生には半導体チップの強度も強く影響する。Ｓｉのモース硬度は７であるが、一方近年注目されているＳｉＣのモース硬度は９であり、格段に硬度が高い。そのため、半導体チップとしてＳｉに代えてＳｉＣを用いることにより、Ｃｕボンディングワイヤ使用時のチップクラック発生を抑制する方向で寄与するが、まだこれだけの対応では不十分である。
半導体チップ１上にはボンディングワイヤ３と接続するための電極２を形成する。電極は通常、複数の層をなして形成される。本発明においては、電極２の複数の層の中に、Ｔａの硬度と同等又はそれ以上の硬度を有する保護層７を少なくとも１層有することとした（図１参照）。Ｔａの硬度はビッカース硬さで８７３ＭＰａである。これと同等又はそれ以上の硬度を有する金属で保護層７を形成することにより、半導体チップとしてＳｉＣチップを用いることと相まって、Ｃｕボンディングワイヤ使用時のチップクラック発生を防止することができる。
Ｔａ以上の硬度を有し、本発明の保護層を構成する好適な金属として、Ｔａの他、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉが挙げられる。それぞれのビッカース硬度は、Ｗ：３４３０ＭＰａ、Ｃｏ：１０４３ＭＰａ、Ｍｏ：１５３０ＭＰａ、Ｔｉ：９７０ＭＰａである。金属の硬度測定は一般にビッカース硬度計がよく用いられ、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９などでその測定方法が標準化されている。
Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａのいずれを用いた保護層７においても、保護層の膜厚が０．５μｍ以上であれば、半導体チップ１としてＳｉＣチップを用いることと相まって、Ｃｕボンディングワイヤ使用時のチップクラック発生を防止することができる。一方、硬質の金属を用いて保護層を形成する場合、膜厚が厚すぎると膜割れを起こすことがある。金属それぞれについて、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａでは１μｍ以下、厚くても１．５μｍ以下が現実的な保護層膜厚の上限値となる。
本発明において、電極２に接続するボンディングワイヤ４としてＣｕ又はＣｕ合金ワイヤを用いることから、電極２の最上層６としてはＣｕ又はＣｕ合金層を用いる。これにより、電極２とボンディングワイヤ３との接続を良好に保持することができる。最上層６はワイヤを超音波圧着する際の緩衝膜としての役割も果たすため、２μｍ以上、望ましくは１０μｍ程度を用いると好ましい。
本発明の電極２は、上記保護層７と最上層６を有するほか、複数の層によって構成することができる。半導体チップと接する側については、コンタクト層８を形成すると好ましい。コンタクト層８は、ＳｉＣチップ上の回路部分と電極とのオーミックコンタクトを得ることを目的としている。コンタクト層８を構成する金属として、Ｎｉ、Ｔｉなどを用いることができる。良好なオーミック特性を得るためには、成膜後に高温熱処理を施すなどの方法が知られている。コンタクト層８の膜厚は５０ｎｍ以上とすると好ましい。５０ｎｍ程度あれば十分なオーミック特性が得られる。
電極を構成する中間層として、最下層のコンタクト層との密着性向上のためにＣｒ層を設け、また最上層とその下の層との間のバリア層としてＮｉ層を設けることができる。Ｃｒ層の厚さは５０ｎｍ〜０．５μｍ、Ｎｉ層の厚さは０．３〜２μｍ程度とすると好ましい。ただし、本発明においては、保護層がバリア効果を有しているので、保護層に加えてバリア層を設ける意味合いは薄い。
本発明の電極の製造方法について説明する。最表層、保護層、コンタクト層いずれも蒸着、スパッタ、めっき等の方法によって製造することができる。
本発明のパワー半導体装置に用いるボンディングワイヤとして、Ｃｕボンディングワイヤを用いる場合、Ｃｕ含有量が９９．９９％以上とすると好ましい。また、Ｃｕ合金ボンディングワイヤを用いる場合、Ｃｕ合金としては、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ａｌ、希土類元素の少なくとも１種以上を総計で１〜３００質量ｐｐｍ含有するとよい。これにより、ワイヤの組織、塑性変形抵抗を調整し、ウェッジ接合時にワイヤと電極との変形を制御する効果を促進できる。Ｃｕ合金としては、Ｂ、Ｐ、Ｓｅを総計で５〜３００質量ｐｐｍ、又はＡｇ、Ｓｎ又はＡｕの１種以上を総計で０．１〜１０質量％含有してもよい。これにより、ワイヤを高強度化し、樹脂封止時のワイヤ変形を軽減できる。
本発明のパワー半導体装置に用いるＣｕ又はＣｕ合金ボンディングワイヤはさらに、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯線と、芯線の表面に１０〜２００ｎｍの厚さを有するＰｄを含む被覆層と、被覆層の表面に３〜８０ｎｍの厚さを有するＡｕとＰｄとを含む合金層とを有することとすると好ましい。これにより、リードフレーム側の電極表面がＰｄめっきされたリードフレームであっても良好なウェッジ接合性を確保でき、耐酸化性と耐硫化性の両方に優れた安価なボンディングワイヤとすることができる。
本発明で用いるＣｕ又は銅合金ボンディングワイヤは、直径を５０μｍ以上とすると好ましい。直径を１００μｍ以上とするとより好ましい。このように太径のＣｕ又はＣｕ合金ボンディングワイヤを用いた場合において、ワイヤボンディング時のチップクラックが発生しやすいので、本発明の効果を十分に発揮することができる。
ボンディングワイヤは、電極に超音波接合されてなることとすると好ましい。パワー半導体装置においては、半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの間の接続についても、ボールボンディングではなくウェッジボンディングが採用される。ウェッジボンディングにおいては、ウェッジツールを用いてワイヤを電極表面に圧着しつつ超音波を付加することによって電極とワイヤを接続する方法である。即ち、本発明において「電極に超音波接合されてなる」とは、具体的にはボールボンディングを使用せず、荷重と超音波のエネルギーによってワイヤを変形圧着させることを意味する。
パワー半導体装置に本発明を適用した。本発明例と比較例の試験条件を表１に示す。
半導体チップとして本発明のＳｉＣ半導体チップに加え、比較例としてＳｉ半導体チップも適用した。
電極として１０ｍｍ角のパッドを形成した。電極構造としては、最上層に、本発明のＣｕ層を厚み１０μｍで配置したもののほか、比較例としてＡｌ層を厚み５μｍで配置した場合も実施した。最上層の下に配置する保護層として、本発明例は、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａをそれぞれ厚み０．５μｍとして配置した。比較例においては、保護層に代えて、Ｎｉ層を厚み２μｍとして配置した。最下層のコンタクト層として、Ｔｉ層を厚み０．１μｍで配置した場合と配置していない場合を実施した。電極層を形成後、ウェーハを２５０μｍ厚まで裏面研削し、１０ｍｍ角のチップにダイシングし、その後厚み２ｍｍの銅板にダイアタッチしたものを準備した。
ボンディングワイヤとして本発明のＣｕボンディングワイヤ（線径３００μｍ）に加え、比較例としてＡｌボンディングワイヤ（線径５００μｍ）も適用した。Ｃｕ、Ａｌワイヤはそれぞれ純度９９．９９％のものを用いた。
ボンディング条件としては、Ｃｕワイヤでは２２００ｇｆ、Ａｌワイヤでは１１００ｇｆの荷重を加え、超音波出力については不着が発生しない下限荷重を印加した。
評価として、ワイヤクラック評価を行った。ワイヤボンディング後に半導体装置のシリコーンゲルで封止を行い、温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験条件としては、高温：１５０℃、低温：−５０℃に各４０分保持し、これを１００回繰り返した。その後、樹脂封止を除去してワイヤネック部および接合部近傍を光学顕微鏡、ＳＥＭによって観察した。この結果ワイヤネック部および接合部近傍の何れにもクラックが発生しなかったものを○とし、それ以外を×とした。
評価として、チップクラック評価を行った。電極上からワイヤを除去し、フッ酸中に浸漬して電極膜をエッチオフした後、ＳＥＭで観察した。その結果、ＳｉまたはＳｉＣ単結晶にクラックが発生していなければ合格（○）とし、微小な亀裂がみられれば不合格（△）、単結晶部にチップクラックがみられれば不合格（×）とした。
Figure 2014082367
結果を表１に示す。
本発明例１〜５はいずれも、半導体チップにＳｉＣチップを用い、電極に保護層を設けているため、線径３００μｍのＣｕボンディングワイヤを用いているにもかかわらず、チップクラックの発生が見られなかった。また、Ｃｕボンディングワイヤを用いているので、ワイヤクラックの発生もなかった。
比較例１はＡｌボンディングワイヤを用いているので、ワイヤクラックが発生し不合格となった。比較例２、３は半導体チップとしてＳｉチップを用い、電極中に保護層を設けていないので、チップクラックが「×」という結果になった。比較例２、３は半導体チップとしてＳｉＣチップを用いてはいるものの、電極中に保護層を設けていないので、チップクラックが「△」という結果になった。
１ 半導体チップ
２ 電極
３ ボンディングワイヤ
４ 基板
５ 超音波接合部
６ 最上層
７ 保護層
８ コンタクト層

Claims (4)

  1. 半導体チップとしてＳｉＣ単結晶チップを用い、該ＳｉＣ単結晶チップ上にボンディングワイヤと接続するための電極を有し、該電極はその中にＴａの硬度と同等又はそれ以上の硬度を有する保護層を少なくとも１層有し、電極の最上層はＣｕ又はＣｕ合金層であり、該電極に接続するボンディングワイヤはＣｕ又はＣｕ合金ワイヤであることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 前記保護層は、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか又はそれらの合金からなり、保護層の膜厚が０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
  3. 前記ボンディングワイヤは直径が５０μｍ以上であり、前記電極に超音波接合されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体装置。
  4. 前記保護層とＳｉＣ単結晶チップとの間に、コンタクト層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパワー半導体装置。
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