JP2017076741A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温動作時のアルミニウム電極の変形を抑え、かつワイヤ配線との間の抵抗も低く抑えることができ、また簡単な製造工程で製造できる電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用の半導体装置が、表面と裏面とを有する半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられた電極と、電極に接合されたワイヤ配線と、少なくとも電極を覆う封止材料と、を含み、電極は、アルミニウムを含有する金属からなる第１金属層と、第１金属層を覆い、チタンを含有する金属からなる第２金属層との積層構造を含み、ワイヤ配線は、第２金属層を貫通して第１金属層に接合される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力用の半導体装置およびその製造方法に関し、特に、積層構造の表面電極を有する電力用の半導体装置およびその製造方法に関する。

電力変換等に用いられる電力用の半導体装置では、近年、より高い温度での動作が望まれる。これは、パワー半導体装置の定格電流を大きくすることにより半導体装置を小型化し、また、半導体装置を用いたモジュールの冷却機構を簡素化することにより、製造コストの低減を図るためである。

しかしながら、一般的な半導体装置に用いられるアルミニウム電極は、高温になると変形するという問題があった。例えば温度サイクルやパワーサイクル後にアルミニウム電極の表面が変形し、電気特性が悪化したり信頼性が低下するという問題があった。これに対して、例えばアルミニウム電極の表面にニッケル電極をめっき法により形成することで表面電極の変形が抑制されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０７６７０３号公報

従来の方法のように、アルミニウム電極の上にめっき法を用いてニッケル電極を形成するには、ポリイミドやフォトレジストのような保護膜をパターニングして、アルミニウム電極の上に開口部を形成し、開口部内にニッケルを選択的にめっきする必要があった。このため、保護膜のパターニングのために、露光を用いた写真製版工程やマスクを用いた印刷工程等が追加として必要となり製造工程が複雑になり、製造コストが増大するという問題があった。また、アルミニウムの上にニッケルを形成するため、ワイヤ配線との間の電気抵抗が増加するという問題もあった。

そこで、本発明は、高温動作時のアルミニウム電極の変形を抑え、かつワイヤ配線との間の抵抗も低く抑えることができ、また簡単な製造工程で製造可能な電力用半導体装置の提供を目的とする。

本発明の１つの形態は、
電力用の半導体装置であって、
表面と裏面とを有する半導体基板と、
半導体基板の表面上に設けられた電極と、
電極に接合されたワイヤ配線と、
少なくとも電極を覆う封止材料と、を含み、
電極は、アルミニウムを含有する金属からなる第１金属層と、第１金属層を覆い、チタンを含有する金属からなる第２金属層との積層構造を含み、ワイヤ配線は、第２金属層を貫通して第１金属層に接合されたことを特徴とする半導体装置である。

また、本発明の他の形態は、
電力用の半導体装置の製造方法であって、
表面と裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
半導体基板の表面上に、アルミニウムを含有する第１金属層を堆積する工程と、
第１金属層の上に、チタンを含有する金属からなる第２金属層を堆積する工程と、
第２金属層の上にマスクを形成する工程と、
マスクを用いて、第１金属層と第２金属層との積層構造を含む電極を形成する工程と、
電極上に、ワイヤ配線を超音波振動法により接合する工程であって、ワイヤ配線が、第２金属層を突き抜けて第１金属層に接合される工程と、
少なくとも電極上に封止材料を配置する工程と、を含むことを特徴とする製造方法でもある。

以上のように、本発明の１つの形態では、高温動作による表面電極の変形を抑制するとともに、ワイヤ電極と表面電極とを低抵抗で接続でき、良好な電気特性を有し、信頼性の高い電力用半導体装置を提供できる。

また、本発明の他の形態では、比較的簡単な工程を用いて、低コストで、上述のような半導体装置を提供できる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用の半導体装置の断面図である。 図１の電力用の半導体装置の部分拡大図である。 従来の電力用の半導体装置の断面図である。 温度サイクル後の（ａ）従来構造の表面電極と、（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる表面電極の、表面顕微鏡写真である。 温度サイクル後の（ａ）従来構造の表面電極と、（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる表面電極の、断面顕微鏡写真である。 表面電極とエポキシ樹脂との密着力を示すグラフである。 本発明の実施の形態２にかかる電力用の半導体装置の断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表された、本発明の実施に形態１にかかる電力用の半導体装置の断面図である。半導体装置１００は、例えばシリコンからなり、表面と裏面とを有する半導体基板１を含む。

半導体基板１の表面には、表面電極２が設けられている。表面電極２は、半導体基板１に接する第１金属層１１と、第１金属層１１に接する第２金属層１２からなる。第１金属層１１は、例えば、アルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、またはアルミニウム−銅合金等のアルミニウム系金属からなる。一方、第２金属層１２は、例えば、窒化チタンまたはチタンと窒化チタンとの積層構造からなる。第２金属層１２の厚さは、第１金属層１１の厚さより薄く、例えば第１金属層１１の厚さは約２μｍ〜約６μｍ、第２金属層１２の厚さは約５ｎｍ〜約５０ｎｍである。

表面電極２の上には、例えばアルミニウムからなるワイヤ配線６が接続されている。ワイヤ配線６は、第２金属層１２を突き抜けて第１金属層１１の表面に接続されている。

半導体基板１の表面上は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコンからなる絶縁膜３が設けられ、絶縁膜３は、表面電極２の上で開口されている。

一方、半導体基板１の裏面上には、例えばチタン・ニッケル・金の積層膜からなる裏面電極５が設けられている（以上の構造を半導体チップ１０と呼ぶ）。

半導体装置１００では、半導体チップ１０が実装基板８の上に、例えば鉛フリーはんだ、銀ペースト、焼結銀等の接合材７で接続される。

実装基板８の上には、例えばシリコーン製ゲル、ゴム等の絶縁物からなる封止樹脂（図示せず）が設けられ、半導体チップ１０が封止される。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用の半導体チップ１０の部分断面図であり、図１では省略した半導体チップ１０の構成を示す。図２中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。半導体チップ１０には、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴが用いられるが、図２は、ＩＧＢＴについて記載する。

半導体チップ１０では、例えばシリコンからなるｎ型の半導体基板１中に、ｐ型ベース領域３０が形成される。ｐ型ベース領域３０の表面側には、ｎ^＋型ソース領域３１が設けられる。ｎ^＋型ソース領域３１の中央には、ｎ^＋型ソース領域３１およびｐ型ベース領域３０を貫通し、半導体基板１に達するトレンチが形成される。トレンチの内壁は、例えば酸化シリコンからなるゲート酸化膜３２で覆われ、その中に例えば多結晶シリコンが充填されてゲート電極３３を形成する。

隣り合うｎ^＋型ソース領域３１の間には、ｐ^＋型ボディ領域３４が設けられている。ｐ型ベース領域３０の上には、例えば、ＢＰＴＥＯＳやＢＰＳＧからなる層間絶縁膜３５が設けられる。層間絶縁膜３５には、ｐ^＋型ボディ領域３４とｎ^＋型ソース領域３１の表面が露出するように開口部が設けられている。

層間絶縁膜３５の上には、表面電極２が設けられている。表面電極２は開口部内に露出したｐ^＋型ボディ領域３４およびｎ^＋型ソース領域３１と、電気的に接続される。なお、図２には記載しないが、表面電極２は、第１金属層１１と第２金属層からなる。

半導体基板１と第１金属層１１との間には、第１金属層１１の材料が半導体基板１中に拡散するのを防止するために、バリア電極を設けても良い。バリア電極は、例えばチタン、タングステン、タンタルまたはそれらの合金からなり、単層構造でも積層構造でも良い。

一方、半導体基板１の、ｐ型ベース領域３０と反対側には、ｎ型バッファ領域３６とｐ型コレクタ領域３７が設けられ、ｐ型コレクタ領域３７の上には、裏面電極５が設けられている。

次に、本発明の実施の形態１にかかる電力用の半導体装置１００の製造方法について説明する。製造方法では、まず、例えばｎ型シリコンからなり、表面と裏面とを有する半導体基板１を準備する。続いて、半導体基板１の表面側にｐ型ベース領域３０をイオン注入および熱処理により形成する。

続いて、ｐ型ベース領域３０表面に、ｎ^＋型ソース領域３１を形成し、ｎ^＋型ソース領域３１の中央部に、ｎ^＋型ソース領域３１およびｐ型ベース領域３０を貫通し、半導体基板１に到達するトレンチを、フォトレジストを用いた写真製版およびドライエッチングにより形成する。

続いて、トレンチの内側表面を熱酸化してゲート酸化膜３２を形成した後、ポリシリコンを埋め込んでゲート電極３３を形成する。

続いて、ｐ^＋型ボディ領域３４を形成する。その後、ＢＰＴＥＯＳやＢＰＳＧからなる層間絶縁膜３５を半導体基板１の表面上に形成した後、写真製版およびドライエッチングでパターニングし、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの中には、ｐ^＋型ボディ領域３４およびｎ^＋型ソース領域３１の表面が露出している。

続いて、半導体基板１の表面側に、例えば、アルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、またはアルミニウム−銅合金等のアルミニウム系金属からなる第１金属層１１を、スパッタ法やＣＶＤ法を用いて堆積する。第１金属層１１は、コンタクトホールの中のｐ^＋型ボディ領域３４およびｎ^＋型ソース領域３１に電気的に接続する。第１金属層１１の厚さは約２μｍ〜約６μｍである。

続いて、第１金属層１１の上に、例えば、窒化チタンまたはチタンと窒化チタンとの積層構造からなる第２金属層１２をスパッタ法やＣＶＤ法を用いて堆積する。第２金属層１２の厚さは約５ｎｍ〜約５０ｎｍである。

ここで、第２金属層１２は、半導体装置１００の高温動作時の第１金属層１１の変形を抑えるものであり、一定の厚さは必要である。一方で、第２金属層１２の厚さが厚すぎると、ワイヤ配線６のボンディング時に、ワイヤ配線６が第２金属層１２を突き破って第１金属層１１と接合できない。このため、第２金属層１２の厚さは、第１金属層１１の変形を抑制できる範囲で、できるだけ薄いことが望ましい。

続いて、写真製版およびエッチングにより、第１金属層１１と第２金属層１２とを同時にパターニングして表面電極２を形成する。この場合、第２金属層１２の厚さが第１金属層１１の厚さに比較して非常に小さいため、第１金属層１１に対するパターニング条件をそのまま適用できる。もちろん、第１金属層１１と第２金属層１２を、それぞれのパターニング条件でそれぞれパターニングしても良い。

続いて、表面電極２の上に例えばＣＶＤ法を用いて絶縁膜３を形成した後、これをパターニングして、表面電極２の表面を露出させる。絶縁膜３は、例えば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜の単層または積層からなる。

続いて、半導体基板１を、裏面から、所望の厚さになるまで研磨する。

続いて、半導体基板１の裏面側に、ｎ型バッファ領域３６およびｐ型コレクタ領域３７を、イオン注入およびレーザーアニールを用いて順次形成する。

続いて、ｐ型コレクタ領域３７の上に、例えばスパッタ法や真空蒸着法を用いて、裏面電極５を形成する。裏面電極５は、例えばはんだで実装基板８に接合されるため、チタン、ニッケル、金の積層膜から形成することが好ましい。なお、はんだ以外の方法を用いる場合は、接合方法に合わせて裏面電極５の材料は適宜変更できる。

続いて、半導体基板１をダイシングし、それぞれの半導体チップ１０に分割する。

続いて、接合材７を用いて、半導体チップ１０を実装基板８の上に接合する。接合材７は、錫を主成分とするはんだ、銀ペースト、焼結銀等である。実装基板８には、銅リードフレームや、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックの絶縁物を銅箔で挟んだ銅ベース板等が用いられる。

続いて、半導体チップ１０の表面電極２に、超音波振動法を用いてワイヤ配線６をワイヤボンディングする。ワイヤ配線６は、例えばアルミニウムやその合金からなる。上述のように、第２金属層１２は第１金属層１１に比較して薄いため、ワイヤボンディング時に、ワイヤ配線６は、第２金属層１２を突き抜けて第１金属層１１に接合される。つまり、ワイヤ配線６と接合していない部分の表面電極２の表面は第２金属層１２であるが、ワイヤ配線６は第１金属層１１と接合する。

これにより、チタン含有材料からなる第２金属層１２が、アルミニウム含有材料からなる第１金属層１１を覆うことで、高温下での第１金属層１１の変形を防止できるとともに、抵抗率の低い第１金属層１１にワイヤ配線６が直接接合されるため、接続抵抗が低く抑えられる。

最後に、半導体チップ１０を封止するように、ゲル状のシリコーン、ゴム等の絶縁物からなる封止材料９が、実装基板８の上に充填される。封止材料９は、少なくとも金属電極２を封止する。

封止材料９として、ゲル状のシリコーンに代えて、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を用いて、トランスファーモールド成形やポッティング形成により封止しても良い。以上の工程で、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１００が完成する。

図３は、特許文献１に記載された、従来構造の半導体装置５００の断面図である。図３中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。半導体装置５００では、第１金属層１１を形成した後に、絶縁膜３を形成し、更に、絶縁膜３に対するめっき液からのダメージを防ぐためにポリイミド膜４を絶縁膜３に重なるように形成する。そして、第１金属層１１の上に、めっき法を用いて第２金属層１２を形成する。

ここで、ポリイミド膜４には感光性ポリイミドが使用され、写真製版技術を用いてパターニングする。インクジェット技術、印刷技術、ディスペンサ技術を用いて、直接パターニングしても良い。

このように、ポリイミド膜４の形成工程が必要となる特許文献１に記載された方法に比較して、本発明の実施の形態１にかかる方法では、ポリイミド膜４は不要であり、また第１金属層１１と第２金属層１２は同時にパターニングできるため、製造工程が簡略化され、製造コストの低減が可能となる。

次に、表面電極２が第１金属層１１と第２金属層１２からなる本発明の実施に形態１にかかる半導体装置１００と、表面電極２が第２金属層１２のみからなる従来構造の半導体装置について、温度サイクル試験を行った結果を示す。

温度サイクルは、−４０℃で３０分間、および１７５℃で３０分間保持する工程を１サイクルとし、これを１０００サイクル繰り返した。

図４は、温度サイクル後の（ａ）従来構造の表面電極と、（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる表面電極の、表面顕微鏡写真である。また、図５は、温度サイクル後の（ａ）従来構造の表面電極と、（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる表面電極の、断面顕微鏡写真である。図４、５において、（ａ）は、第１金属層１１として５μｍの厚さのアルミニウム−シリコン合金層を形成し、その上に第２金属層１２は形成しない構造であり、（ｂ）は、第１金属層１１として５μｍの厚さのアルミニウム−シリコン合金層を形成し、その上に第２金属層１２として２０ｎｍの厚さの窒化チタン膜を形成した構造である。

図４、５から分かるように、温度サイクル後に、（ａ）では表面電極の表面に凹凸が発生しているのに対し、（ｂ）では凹凸の発生が殆ど見られない（表面の起伏は、下部に層間絶縁膜３５があるためである）。このように、表面に第２金属層１２を設けることにより第１金属層１１の変形を抑制できることがわかる。

このようなアルミニウム含有金属からなる電極の変形は、温度変化によりアルミニウムのグレインが肥大化し成長することにより発生すると考えられるが、第２金属層１２を設けることによりアルミニウムのグレインは肥大化しても、変形が表面に現れることは抑制できる。これにより、表面電極の表面形状が変形することにより発生するワイヤ配線との接続不良等の電気特性の劣化を防止できる。

次に、図６は、封止樹脂にとしてエポキシ樹脂を用いた場合の、封止樹脂と表面電極との密着力を示す。表面電極は、左からアルミニウム−シリコン層（Ａｌ）、アルミニウム−シリコン層とその上の窒化チタン層の積層（Ａｌ／ＴｉＮ）、およびアルミニウム−シリコン層とその上の窒化シリコン層（Ａｌ／ＧＣ）の積層の３種類を用いた。

密着力は、それぞれの材料からなる表面電極が形成されている半導体チップの上に、直径が５ｍｍの筒状のエポキシ樹脂を接着した後、エポキシ樹脂に半導体チップの表面と水平方向の力を加え、エポキシ樹脂が剥離するときの力から算出した。

図６から分かるように、アルミニウム−シリコン膜（Ａｌ）に比較して、アルミニウム−シリコン膜上に窒化チタン膜を設ける（Ａｌ／ＴｉＮ）ことにより、窒化シリコン膜を設けた場合（Ａｌ／ＧＣ）と同等レベルまで密着力が向上することが分かった。このため、アルミニウム−シリコン膜上に窒化チタン膜を設ける（Ａｌ／ＴｉＮ）ことにより、表面電極２と封止材料９との間での剥離に起因する、ワイヤ配線６の引き剥しを防止し、信頼性を向上させることができる。

以上で述べたように、本発明の実施の形態１にかかる電力用の半導体装置１００では、表面電極２が、アルミニウム等からなる第１金属層１１と、その上に設けられたチタン等からなる第２金属層１２の積層構造からなるため、高温動作による表面電極２の変形を抑制でき、電気的特性の劣化を防止し、信頼性の向上を図ることができる。

また、このような積層構造の表面電極２は、第２金属層１２が第１金属層１１に比較して薄いため、比較的簡単な工程で電極のパターニングが可能である。

また、第２金属層１２は第１金属層１１に比較して薄いため、ワイヤボンディング時に、ワイヤ配線６は、第２金属層１２を突き抜けて第１金属層１１に接合され接続抵抗を低くできる。

更に、表面電極をアルミニウム等からなる第１金属層１１とチタン等からなる第２金属層１２の積層構造とすることで、表面電極と封止樹脂との間の剥離を抑制し、信頼性を向上させることができる。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。図７中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

半導体装置２００では、表面電極が、第１金属層１１、第２金属層１２、第３金属層１３、および第４金属層１４の４層構造となっている。第１金属層１１と第３金属層１３は、例えば、アルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、またはアルミニウム−銅合金等のアルミニウム系金属からなるが、互いに組成が異なっても良い。また、厚さは約２μｍ〜約６μｍであるが、互いに厚さが異なっても良い。

一方、第２金属層１２と第４金属層１４は、例えば、窒化チタンまたはチタンと窒化チタンとの積層構造からなるが、互いに組成や構造が異なっても良い。まや。厚さは、約５ｎｍ〜約５０ｎｍであるが、互いに厚さが異なっても良い。

第２金属層１２と第４金属層１４の厚さの合計は、第１金属層１１と第３金属層１３の厚さの合計より薄くなる。

第１金属層１１〜第４金属層１４は、例えばスパッタ法やＣＶＤ法を用いて、連続して形成しても良いが、例えば第１金属層１１と第２金属層１２、および第３金属層１３と第４金属層１４に分けて形成しても良い。また、第１金属層１１〜第４金属層１４は、同時にパターニングすることが好ましいが、複数の工程に分けてパターニングしても構わない。

ワイヤ配線６は、第４金属層１４を突き抜けて第３金属層１３に接合される。つまり、ワイヤ配線６と接合していない部分の表面電極２の表面は第４金属層１４であるが、ワイヤ配線６は第１金属層１１に接合される。

このように、表面電極を４層構造にすることにより、例えば上述の温度サイクル試験を行った場合に、第１金属層１１と第３金属層１３のグレインサイズの成長が小さくなり、第４金属層１４がより薄くても第３金属層１３の変形を抑制することが可能となる。

なお、半導体装置２００では表面電極を４層構造としたが、同様の積層構造の繰り返しからなる６層構造、８層構造等としても良い。

１ 半導体基板、２ 表面電極、３ 絶縁膜、４ ポリイミド膜、５ 裏面電極、６ ワイヤ配線、７ 接合材、８ 実装基板、１０ 半導体チップ、１１ 第１金属層、１２ 第２金属層、１３ 第３金属層、１４ 第４金属層、１００、２００ 半導体装置。

Claims (6)

1. 電力用の半導体装置であって、
   表面と裏面とを有する半導体基板と、
   該半導体基板の表面上に設けられた電極と、
   該電極に接合されたワイヤ配線と、
   少なくとも該電極を覆う封止材料と、を含み、
   該電極は、アルミニウムを含有する金属からなる第１金属層と、該第１金属層を覆い、チタンを含有する金属からなる第２金属層との積層構造を含み、該ワイヤ配線は、該第２金属層を貫通して該第１金属層に接合されたことを特徴とする半導体装置。
2. 上記電極は、複数の上記積層構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記第１金属層の厚さは、２μｍから６μｍの範囲内であり、上記第２金属層の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 上記封止材料は、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 電力用の半導体装置の製造方法であって、
   表面と裏面とを有する半導体基板を準備する工程と、
   該半導体基板の表面上に、アルミニウムを含有する第１金属層を堆積する工程と、
   該第１金属層の上に、チタンを含有する金属からなる第２金属層を堆積する工程と、
   該第２金属層の上にマスクを形成する工程と、
   該マスクを用いて、該第１金属層と該第２金属層との積層構造を含む電極を形成する工程と、
   該電極上に、ワイヤ配線を超音波振動法により接合する工程であって、該ワイヤ配線が、該第２金属層を突き抜けて該第１金属層に接合される工程と、
   少なくとも該電極上に封止材料を配置する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
6. 上記第２金属層および上記第１金属層のパターニング工程は、上記マスクを用いて、該第２金属層と該第１金属層を同時にパターニングする工程である請求項５に記載の製造方法。