JP2015216188A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ニッケル膜を厚く形成する必要もなく、高温環境下でもカーケンダルボイドを発生させることなく、半導体素子電極に半田を強固に接合し、高耐熱化を図る。【解決手段】半導体素子１０の電極として、無酸素下にて、素子側から順にチタン膜、ニッケル膜を形成し、この電極を、錫含有の半田を用いて回路部材にダイボンディングすることにより、上記電極のチタン層１８の内部に、チタン−ニッケル合金層２０ａ、５０ｎｍ程度のチタン−ニッケル−錫合金層２０ｂからなる金属間化合物２０を形成し、これによって電極を回路部材との接合を強固にする。【選択図】図１
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法、特にパワー半導体素子等をリードフレーム等に半田を用いて接合する半導体装置に関する。
従来から、半導体装置において、半導体素子（チップ）の裏面とリードフレームや回路基板（回路部材）とを接合する際には、半田を用いたダイボンディングが行われており、このダイボンディングでは、半導体素子の裏面に形成されたニッケルと半田の錫（Ｓｎ）成分が結合する。
例えば、家電機器、ＯＡ機器、音響機器等の電源には、ダイオードやトランジスタ等のパワー半導体装置が用いられているが、このパワー半導体装置では、パワー半導体素子の大電流化及びコストダウンの要請から、ダイボンディングの材料として半田材が用いられる。
近年、特にＧａＮ（窒化ガリウム）やＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いた半導体素子の開発が進む中、より過酷な環境下でのパワー半導体装置の用途が広がり、半導体装置を形成するワイヤボンディング材、ダイボンディング材、モールド樹脂材といった構成材料の高信頼性の要求が強くなっている。
近年、特にＧａＮ（窒化ガリウム）やＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いた半導体素子の開発が進む中、より過酷な環境下でのパワー半導体装置の用途が広がり、半導体装置を形成するワイヤボンディング材、ダイボンディング材、モールド樹脂材といった構成材料の高信頼性の要求が強くなっている。
このような状況の中、上記ダイボンディング材として主に錫を含んだ半田材が使用され、半導体素子の裏面（電極）には、外側にニッケル（Ｎｉ）膜、このニッケル膜と半導体素子との間にチタン（Ｔｉ）膜が形成される。即ち、半田材の錫と結合するためにニッケルが用いられ、このニッケルと半導体素子を接着させるためにチタンが設けられる。
しかしながら、従来の半導体素子とリードフレーム、回路基板等との接合では、半導体素子裏面のニッケルと半田材の錫との合金化により、半田と半導体素子との接合が維持されるため、特に高温環境下では錫とニッケルの相互拡散が進み、半導体素子裏面に配置されたニッケル膜にカーケンダルボイドが発生し、半導体素子と半田との接合が阻害され、オープン不良を引き起こすという問題があった。なお、従来の接合では、錫とニッケルの相互拡散が進んだ状態でも、未反応のニッケルが残る構造となっていた。
上記カーケンダルボイドの発生の問題に対処する方法として、半導体素子裏面のニッケル膜（メッキ厚）を厚くする方法があるが、この方法でも、例えば２００度以上の高温環境化では相互拡散が加速し、信頼性の要求を満たせない場合があった。しかも、ニッケル膜を厚くすると、半導体素子から剥がれ易くなるという問題もある。
図４には、従来の半導体装置の接合で、ニッケルと錫の合金を形成した場合に、−６５度〜＋２００度の温度サイクルを１０００サイクル行った後の接合層の断面が示されており、数百サイクル目で、図４の断面のように、半導体素子１０と半田１６との間にクラック２２が入ってしまう結果となった。なお、１７は基板、２３はモールド樹脂である。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ニッケル膜を厚く形成する必要もなく、高温環境下でもカーケンダルボイドを発生させることなく、半導体素子電極に半田を強固に接合し、高耐熱化を図ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る半導体装置は、半導体素子に形成されたチタンとニッケルを有する電極が、錫含有の半田を用いて回路部材に接合する半導体装置において、上記半導体素子の電極のチタン層の内部に、ニッケルと錫が拡散して得られたチタン、ニッケル及び錫の３金属からなる金属間化合物を形成し、この金属間化合物を上記チタン層と半田との間の接合層としたことを特徴とする。
請求項２の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子の電極として、無酸素下にて、素子側から順にチタン膜、ニッケル膜を形成し、この半導体素子の電極を、錫含有の半田を用いて回路部材にダイボンディングすることにより、上記半導体素子電極のチタン層の内部に、ニッケルと錫が拡散して得られたチタン、ニッケル及び錫の３金属からなる金属間化合物を形成し、この金属間化合物を上記チタン層と半田層との間の接合層として、上記電極を回路部材に接合したことを特徴とする。
上記の構成によれば、まず半導体素子の電極として、素子側からチタン膜、ニッケル膜が無酸素下で順に成膜される。これは、チタン膜を成膜後に酸素雰囲気に晒すことで、チタンと酸素が反応し、接合時（ダイボンディング時）に、錫やニッケル等がチタン層内へ取り込まれず、チタン、ニッケル、錫の化合物（合金）が形成されないことを防止するためである。
そして、上記半導体素子の電極を錫含有の半田を用いて回路部材にダイボンディングすると、半導体素子電極のチタン層の内部に、ニッケルと錫の拡散・結合によりチタン、ニッケル及び錫の３金属からなる金属間化合物（合金層）が接合層として形成され、この金属間化合物によって、半導体素子電極と回路部材が強固に接合される。
なお、チタン層内に形成される金属間化合物は、５０ｎｍ程度の薄い接合層（面）であることが好ましく、そのための半導体素子電極のチタン膜厚は１００ｎｍ程度又はそれ以上、ニッケル膜厚は未反応のニッケルが残らない程度の膜厚に形成するのが好ましい。
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、ニッケル膜を厚く形成する必要がなく、高温環境下でもカーケンダルボイドを発生させることなく、半導体素子（裏面）電極に半田を強固に接合することができ、半導体装置の高耐熱化を図ることが可能となる。
即ち、従来と同様に、半導体素子の電極にチタン、ニッケルを用いることができ、これらチタン膜とニッケル膜は、それぞれ１００ｎｍ以上の薄い膜厚で成膜できることから、設備の大幅な変更とニッケルの無駄な使用が不要となる。
また、ダイボンディング時の初期にチタン層の内部に形成されるチタン、ニッケル及び錫の金属間化合物は、２００度を超える高温環境下においでも成長が殆どなく、かつ強固な接合を維持することから、半導体装置の高耐熱化を図ることができるという利点がある。
また、ダイボンディング時の初期にチタン層の内部に形成されるチタン、ニッケル及び錫の金属間化合物は、２００度を超える高温環境下においでも成長が殆どなく、かつ強固な接合を維持することから、半導体装置の高耐熱化を図ることができるという利点がある。
図１には、実施例の半導体装置の構成が示され、図２には、半導体素子の構成が示されており、実施例では、パワー半導体素子を回路基板にダイボンディングする半導体装置の場合を説明する。この半導体装置の製造では、図２のように、半導体素子１０の裏面に、電極として、素子側から、１００ｎｍ以上のチタン（Ｔｉ）膜１２、１００ｎｍ以上のニッケル（Ｎｉ）膜（ニッケルメッキ）１３、金（Ａｕ）膜（金メッキ：最外表）１４が形成されており、これらチタン膜１２、ニッケル膜１３、金膜１４の形成は、無酸素状態下で行われる。即ち、チタン膜１２を成膜した直後に、酸素雰囲気に晒すとチタンと酸素が反応し、ニッケルや錫等をチタン内に取り込むことが阻害されるので、これを防止するために、膜形成を無酸素下で行っている。
そして、上記半導体素子１０の裏面電極が、図１（Ａ）に示されるように、半田１６によって基板１７にダイボンディングされるが、実施例では、この半田１６として、ビスマス（Ｂｉ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）で構成された材料が用いられる。このダイボンディングは、常温で半田をリードフレーム上に配置し、半導体素子１０の電極を半田に押し付け、その後、半田の融点以上に加熱（３３０℃〜３５０℃、６０秒〜１２０秒）して、半田を溶融させ結合する。
このダイボンディング時に、図１（Ａ）のように、半導体素子１０の電極のチタン層１８内に、純チタン層１８Ｇとは別に金属間化合物２０が形成される。即ち、半導体素子１０の電極外表に形成されていた金膜１４は、半田１６の中に拡散し、上記金属間化合物２０には殆ど存在せず、この金膜１４の内側に形成されていたニッケル膜１３の殆ども、半田１６の中に拡散し、約５０ｎｍ程度のニッケル１３のみがチタン層１８の内部に拡散し、かつ半田１６内の錫が拡散し、図１（Ｂ）に示されるように、金属間化合物２０として、チタン−ニッケル合金層２０ａとチタン−ニッケル−錫合金層２０ｂからなる接合層が形成される。
図３には、実際の接合部の断面が示されており、この例では、上記チタン−ニッケル合金層２０ａが１５０ｎｍ程度、チタン−ニッケル−錫合金層２０ｂが５０ｎｍ程度形成されている。実施例では、この５０ｎｍ程度の薄いチタン−ニッケル−錫合金層２０ｂが形成されることで、半導体素１０と半田１６との接合が強固となる。
上記の構成によれば、電極として１００ｎｍ以上のチタン膜１２とその外側に１００ｎｍ以上のニッケル膜１３を成膜すると共に、このニッケル膜１３の酸化防止のために金膜１４を無酸素下で連続して成膜したパワー半導体素子を用い、半田１６によってチタン層１８の内部に５０ｎｍ程度のチタン−ニッケル−錫合金層２０ｂを形成することで、高温環境下でも、ニッケルと錫のカーケンダルボイドの発生をなくした上で、半導体素子１０の電極と回路素子１７を強固に接合することが可能となる。また、上述のように、チタン膜１２及びニッケル膜１３は１００ｎｍ程度の厚みでよいため、従来のように、ニッケル層を必要以上に厚くする必要もない。
また、実施例ではダイボンディング時の拡散の殆ど無いチタン層１８の内部に強固な接合層を配置することから、半導体装置として、一般的な環境温度１５０度よりも高い環境化でも高い信頼性を得ることができる。
従来では、図４に示したように、温度範囲が−６５度〜＋２００度の１０００サイクル実験において、数百サイクルで剥離・クラックが入ったが、実施例の半導体装置では、１０００サイクルの後でも全く剥離・クラックが入らず、非常に高い信頼性が確認された。
従来では、図４に示したように、温度範囲が−６５度〜＋２００度の１０００サイクル実験において、数百サイクルで剥離・クラックが入ったが、実施例の半導体装置では、１０００サイクルの後でも全く剥離・クラックが入らず、非常に高い信頼性が確認された。
１０…半導体素子、 １２…チタン膜、
１３…ニッケル膜、 １４…金膜、
１６…半田、 １７…回路基板、
１８…チタン層、 １８Ｇ…純チタン層、
２０…金属間化合物、
２０ａ…チタン−ニッケル合金層、
２０ｂ…チタン−ニッケル−錫合金層
２２…クラック、 ２３…モールド樹脂。
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Claims (2)
- 半導体素子に形成されたチタンとニッケルを有する電極が、錫含有の半田を用いて回路部材に接合する半導体装置において、
上記半導体素子の電極のチタン層の内部に、ニッケルと錫が拡散して得られたチタン、ニッケル及び錫の３金属からなる金属間化合物を形成し、この金属間化合物を上記チタン層と半田との間の接合層としたことを特徴とする半導体装置。 - 半導体素子の電極として、無酸素下にて、素子側から順にチタン膜、ニッケル膜を形成し、
この半導体素子の電極を、錫含有の半田を用いて回路部材にダイボンディングすることにより、上記半導体素子電極のチタン層の内部に、ニッケルと錫が拡散して得られたチタン、ニッケル及び錫の３金属からなる金属間化合物を形成し、この金属間化合物を上記チタン層と半田層との間の接合層として、上記電極を回路部材に接合したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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