JP2021150460A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱、絶縁性を有する膜から構成された第１保護膜と第２保護膜との密着性を向上させ、剥離が進展することを低減できる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法では、半導体基板上に半導体素子２０を形成する。次に、半導体素子２０のおもて面に、半導体素子２０に電気的に接続された電極層２１を形成する。次に、電極層２１上に、選択的に第１保護膜２２を形成する。次に、第１保護膜２２上の、第２保護膜２３が形成される部分に凹部２６を形成する。次に、電極層２１上の第１保護膜２２以外の部分に、上部電極膜２４を形成する。上部電極膜２４と第１保護膜２２とが接する部分を覆う第２保護膜２３を形成する。【選択図】図２

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。

パワー半導体モジュールは、１つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して、直流と交流の変換、直流同士、または交流同士の電圧電流変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップと積層基板または金属基板との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。パワー半導体モジュールは、産業用途としてエレベータなどのモータ駆動制御インバータなどに使われている。さらに近年では、車載用モータ駆動制御インバータに広く用いられるようになっている。車載用インバータでは、燃費向上のため小型・軽量化や、エンジンルーム内の駆動用モータ近傍に配置されることから、高温動作での長期信頼性が求められる。

ここで、車載用パワー半導体モジュールは、産業用パワー半導体モジュールに比べ、設置空間の制約から小型、軽量化が求められる。また、モータを駆動するための出力パワー密度が高くなるため、運転時における半導体チップ温度が高くなるとともに、高温動作時の長期信頼性の要求も高まってきている。このため、高温動作・長期信頼性を有したパワー半導体モジュール構造が要求されてきている。

ところが、従来の金属ワイヤによる金属ワイヤ配線方式ではワイヤ太さが通電時の電流密度に影響し、動作に必要な電流を流すにはワイヤ本数を増やす必要がある。このため、金属ワイヤ配線方式では、複数の金属ワイヤで半導体チップ上面と電極パターン間を接続する必要があり、パワー半導体モジュールのワイヤ接合面積が増えることでパワー半導体モジュール自体が大きくなる。

そこで、これらを解決するために、従来の金属ワイヤ配線方式から、リードフレーム配線方式の検討が進められている。リードフレーム配線方式とは、金属板の型加工により成形されたリードフレーム配線を用いて、半導体チップを支持固定し、半導体チップと電極パターンとを接続する方式である。

図１５は、従来構造のパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。図１５に示すように、半導体基板上の半導体素子１２０上にソース電極となるＡｌＳｉ（アルミニウムシリコン）電極１２１が設けられている。半導体基板上の半導体素子１２０は、半導体基板上にＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造（素子構造）が形成されている半導体素子である。

半導体素子の電極周囲には、半導体素子内部へのイオンの拡散を防止し、半導体素子を絶縁するために、ＡｌＳｉ電極１２１上に第１保護膜（パッシベーション膜）１２２が成膜されている。従来、第１保護膜１２２として、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜、無機材料が使用されているが、有機材料であるポリイミド膜も多く使用されている。ポリイミド膜は、スピンコート法やインクジェット法などの湿式方式で成膜が行われ、無機材料の成膜よりもポリイミド膜の成膜は簡易であるという効果がある。

また、リードフレーム配線（不図示）をＡｌＳｉ電極１２１にはんだ１２５で接合しやすくするためにＮｉＰ（ニッケルリン）の上部電極膜１２４が設けられる。第１保護膜１２２は、上部電極膜１２４をめっき法でＮｉＰ等を形成する際、上部電極膜１２４のめっきがＡｌＳｉ電極１２１上に選択的に析出するよう、マスクとしての機能を有する。

また、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のパワー半導体モジュールでは、上部電極膜１２４と第１保護膜１２２が接する部分を選択的に覆うようにポリイミド膜である第２保護膜１２３が設けられる。第２保護膜１２３は、上部電極膜１２４と第１保護膜１２２との隙間を覆い、例えば、はんだ１２５などが半導体素子側へ侵入することを防止する機能を有する。 第２保護膜１２３は、はんだ１２５を形成する際のマスクとして機能する。

従来、パワー半導体モジュールでは、パワー半導体チップがオーバーコート樹脂等の封止樹脂によりケースに封止されている。オーバーコート樹脂で第１の導電配線層を被覆し、オーバーコート樹脂にプラズマを照射することによりその表面の粗化を行い、オーバーコート樹脂と封止樹脂層との密着を向上させる技術が公知である（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００４−１８６４６１号公報

従来構造では、ポリイミド膜（第１保護膜１２２）は、ＮｉＰの上部電極膜１２４とＡｌＳｉ電極１２１の双方に接触しており、異なる材料と接している。塗布されるポリイミド膜は、硬化後に化学的、電気的に高い安定性を持ち、耐熱、絶縁性を有するため、保護膜としての性質は良好である。一般に、ポリイミド膜は、化学的、電気的安定性が高く、それ故に他材料との反応性が低く、密着性が弱い場合がある。

ここで、上部電極膜１２４としてＮｉＰを用いた場合、ポリイミド膜の密着性の弱さから、ポリイミド膜の第１保護膜１２２と上部電極膜１２４との界面で剥離が生じる場合がある。このために、上述のはんだのマスクとしての機能の他に、第１保護膜１２２と上部電極膜１２４との界面をさらに覆うように、ポリイミド膜の第２保護膜１２３をインクジェット法などで塗布することが行われている。

しかしながら、ポリイミド膜の密着性の弱さは変わらないため、はんだの接合時や半導体モジュールの稼働時などの熱応力などにより、第２保護膜１２３と上部電極膜１２４との界面で剥離が生じる場合がある。この剥離が進展すると、第２保護膜１２３と第１保護膜１２２との剥離も進展する場合もある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、耐熱、絶縁性を有する膜から構成された第１保護膜と第２保護膜との密着性を向上させ、また、封止樹脂と第１保護膜との密着性も向上させ、剥離が進展することを低減できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、半導体基板上に半導体素子を形成する第１工程を行う。次に、前記半導体素子のおもて面に、前記半導体素子に電気的に接続された電極層を形成する第２工程を行う。次に、前記電極層上に、選択的に第１保護膜を形成する第３工程を行う。次に、前記第１保護膜上の、前記第１保護膜と上部電極膜とが接する部分を覆う第２保護膜が形成される部分に凹部を形成する第４工程を行う。次に、前記電極層上の前記第１保護膜以外の部分に、前記第１保護膜と接するように上部電極膜を形成する第５工程を行う。次に、前記上部電極膜と前記第１保護膜とが接する部分に前記第２保護膜を形成する第６工程を行う。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、凸部を有する治具を前記第１保護膜に押し当てることにより前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記第１保護膜の粘度が３００Ｐａ・ｓ以上１０００Ｐａ・ｓ以下であるときに、前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記凹部を複数形成し、前記凹部間の距離を１０μｍ以上３０μｍ以下に前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記凹部の直径を１０μｍ以上３０μｍ以下に前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記凹部の深さを前記第１保護膜の厚さの３０％以上８０％以下に前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記第１保護膜のおもて面を底辺とした台形形状に前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第４工程では、前記凹部を前記第１保護膜と前記上部電極膜とが接する部分から１０μｍ以上３０μｍ以下離して、前記凹部を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１保護膜および前記第２保護膜は、ポリイミド膜であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記上部電極膜は、ニッケルリン（ＮｉＰ）であることを特徴とする。

上述した発明によれば、第１保護膜に凹部を形成し、凹部が形成された領域に第２保護膜を塗布する。これにより、凹部の中に第２保護膜が入り込み、第１保護膜と第２保護膜との接触面積が増加し、アンカー効果が増大する。このため、上部電極膜と第１保護膜との剥離が生じたとしても第１保護膜と第２保護膜の部分への剥離進展を防止できる。

本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、耐熱、絶縁性を有する膜から構成された第１保護膜と第２保護膜との密着性を向上させ、剥離が進展することを低減できるという効果を奏する。

実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である（その１）。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である（その２）。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である（その３）。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す上面図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す断面図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である（その１）。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である（その２）。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である（その３）。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の間隔と密着性との関係を示す表である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の直径と密着性との関係を示す表である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状と密着性との関係を示す表である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールのプリン試験を示す斜視図である。 従来構造のパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。

（実施の形態）
図１に示すように、パワー半導体モジュール５０は、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２と、接合材３ａ、３ｂ、３ｃと、電極パターン４と、金属基板５と、リードフレーム配線６と、端子ケース７と、封止樹脂８と、金属端子９と、金属ワイヤ１０と、を備える。

パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等の半導体素子である。絶縁性を確保するセラミック基板等の絶縁基板２のおもて面（パワー半導体チップ１側）および裏面（金属基板５側）には、銅（Ｃｕ）板などからなる電極パターン４が設けられている。なお、絶縁基板２の少なくとも片面に電極パターン４が設けられた基板を積層基板１２とする。おもて面の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｂにてパワー半導体チップ１が接合される。裏面の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｃにて放熱フィン（不図示）が設けられた金属基板５が接合される。また、パワー半導体チップ１の上面（接合材３ｂと接する面と反対側の面）には、電気接続用の配線としてリードフレーム配線６の一端がはんだなどの接合材３ａにて接合される。リードフレーム配線６の他端は、接合材３ｂにて電極パターン４と接合される。

樹脂ケース７は、パワー半導体チップ１と積層基板１２と金属基板５とが積層された積層組立体に組み合わされる。例えば、樹脂ケース７は、積層組立体とシリコンなどの接着剤を介して接着されている。また、樹脂ケース７内部には、積層基板１２上のパワー半導体チップ１を絶縁保護するため、エポキシなどの硬質樹脂等の封止樹脂８が充填されている。実施の形態では、封止樹脂８としてエポキシなどの硬質樹脂を用いており、蓋を使用していない。また、金属ワイヤ１０がパワー半導体チップ１と金属端子９との間を接続している。金属端子９は樹脂ケース７を貫通して、外部に突き出ている。

図２は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の構成を示す断面図である。図２は図１の点線で囲まれた部分の拡大図である。図２に示すように、半導体基板上の半導体素子２０（図１のパワー半導体チップ１に対応）上にエミッタ電極（半導体素子２０がＩＧＢＴである場合）となるＡｌＳｉ電極２１が設けられている。ＡｌＳｉ電極２１上にポリイミド膜で構成された第１保護膜２２が成膜されている。ＮｉＰで構成された上部電極膜２４上に、リードフレーム配線６（図１参照）を接合するためのはんだ２５（図１の接合材３ａに対応）が設けられる。また、上部電極膜２４の周りに上部電極膜２４と第１保護膜２２が接する部分を選択的に覆うようにポリイミド膜で構成された第２保護膜２３が設けられる。実施の形態では、第１保護膜２０および第２保護膜２３としてポリイミド膜を例に説明するが、化学的、電気的安定性が高く、他材料との反応性が低く、密着性が弱く、耐熱、絶縁性を有する膜であれば、ポリイミド膜以外の膜でも第１保護膜２２および第２保護膜２３に使用可能である。

実施の形態では、第１保護膜２２に凹凸の大きさ、幅、間隔を制御した凹部２６を設けている。凹部２６は、少なくとも第２保護膜２３が接触する部分に設けられている。凹部２６上に第２保護膜２３を塗布することで、凹部２６の中に第２保護膜２３が入り込み、第１保護膜２２と第２保護膜２３との接触面積が増加する。これにより、第１保護膜２２と第２保護膜２３とのアンカー効果を増大させる。このため、上部電極膜２４と第１保護膜２２との剥離が生じたとしても第１保護膜２２と第２保護膜２３の部分への剥離進展を防止できる。

（実施の形態にかかる半導体装置の製造方法）
次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、説明する。図３〜図５は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の製造途中の状態を示す断面図である。まず、従来技術による半導体装置の製造方法と同様に、半導体基板上に半導体素子２０を形成する。例えば、半導体装置がＩＧＢＴである場合、半導体基板上にエピタキシャル成長によりドリフト層、ベース層を形成し、イオン注入で不純物イオンを注入することによりおもて面にエミッタ領域を形成し、裏面にコレクタ領域を形成する。次に、おもて面に熱酸化等でゲート絶縁膜を選択的に形成する。

次に、例えばスパッタ法により、半導体素子のエミッタ領域に電気的に接続された金属電極としてＡｌＳｉ電極２１（表電極ともいう）を形成する。なお、この電極はＡｌＳｉに限定されるものではない。次に、ＡｌＳｉ電極２１上に選択的に第１保護膜２２を形成する。上面から見ると、ＡｌＳｉ電極２１（金属電極）を囲むように形成され、電極の所定の領域が露出している。この金属電極の露出した個所にＮｉ又はＮｉ合金を主成分とする上部金属膜（上部電極膜）がめっき法等によって形成される。第１保護膜２２は、化学的、電気的に安定して、耐熱性および絶縁性に優れた材料から形成する。第１保護膜としては、熱硬化性樹脂や紫外線硬化樹脂などの材料が用いられ、条件により硬化の状態を変化させることができ、後述するように凸型を押圧して凹部を形成できるように半硬化状態にできる材料が好ましい。例えば、第１保護膜２２は、例えば、イミド結合を含む高分子樹脂であるポリイミド膜やポリアミド膜、ポリアミドイミド膜、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを用いて形成する。ここまでの状態が、図３に記載される。なお、第１保護膜２２はフォトリソグラフィまたはディスペンサーによる塗布などの方法によって所定の箇所に形成される。また、第１保護膜２２の膜厚は、絶縁性などから、上部電極膜２４の膜厚より厚く、２μｍ〜１５μｍが好ましく、５μｍから１２μｍがより好ましい。

次に、第１保護膜２２を加熱硬化させる際に、半硬化状態となっているところで、少なくとも第１保護膜２２が第２保護膜２３と接触する部分に、所定の大きさ、幅、間隔の凸部を持った治具２７を押しつけることで第１保護膜２２に凹部２６を形成して、その後に、本硬化を行う。または、第２保護膜２３を形成した後に本硬化を行っても良い。なお、例えば、第１保護膜２２（ポリイミド）は７０℃〜１５０℃で３０分から６０分加熱することで半硬化状態になり（仮硬化）、その後１５０℃〜２２０℃で、３０分〜６０分加熱して本硬化する。その際、図４において、治具２７の凸部が全て第１保護膜２２に埋まるように押し付けてもよい。凸部の根本が第１保護膜２２の表面に接するように押し付けると、治具２７を離した際にできるのは所定の形状の凹部２６であり、深さのそろった形状となる。一方、治具２７の凸部の深さ方向の一部を押し付け、所定の深さまで押し付けてから離すと、凹部２６の周辺には、塑性変形し盛り上がった高さが０．２μｍから１μｍの凸部ができる。この場合も表面積が増加するため密着性は向上する。また、所定の大きさ、幅、間隔の凸部を持った治具２７を選定することにより、自由に形状の凹部２６を実現できる。このように、凹部２６が形成された領域に第２保護膜２３を塗布することで、強いアンカー効果を実現できる。また、図７に示すように、第２保護膜２３より外側まで凹部２６を形成しても良い。最終的には樹脂ケースの内部には封止樹脂８が満たされるため、第１保護層２２の表面と側面は封止樹脂８とも接する。第１保護層２２の凹部２６を覆うように封止樹脂８が形成されると、第１保護膜２２と封止樹脂８の密着性は向上するため、熱応力による剥がれが低減し、半導体モジュールの信頼性は向上する。なお、第２保護膜２３はフォトリソグラフィまたはディスペンサーによる塗布などの方法によって所定の箇所に形成される。

ここで、半硬化状態である具体的な粘度は３００Ｐａ・ｓ以上１０００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。ポリイミド樹脂等は、塗布した後加熱硬化時に時間とともに粘度が増加する。このため、加熱硬化時に粘度が３００Ｐａ・ｓ以上１０００Ｐａ・ｓ以下である時間を事前に求めておくことで、この時間の間は、半硬化状態であると判断できる。また、半硬化状態は、第１保護膜２２の硬度、弾性率で判断してもよい。この場合、弾性率が１以上２．５ＧＰａ未満であるとき半硬化状態であると判断する。または、針入度が７０以上１００以下である。なお、針入度とは、粘弾性体の硬さの尺度で、ＪＩＳＫ２２０７に規定されており、試験条件の下で，規定の針が試料中に垂直に進入した長さの０．１ｍｍを１として表す。２５℃で測定するものとした。ここまでの状態が、図４に記載される。

次に、第１保護膜２２をマスクとして用いて、ＡｌＳｉ電極２１上の、第１保護膜２２が設けられていない部分に、選択的に上部電極膜２４を形成する。上部電極膜２４は、ＮｉＰ（ニッケルリン）無電解めっきなどが用いられるが、第１保護膜２２は絶縁体で、ＡｌＳｉ電極２１は金属なので、上部電極膜２４は第１保護膜２２には析出せずに、選択的にＡｌＳｉ電極２１の上に析出する。ここまでの状態が、図５に記載される。めっき法は、安価で厚い膜（１から１０μｍ）を金属電極上に選択的に形成できるので多く用いられる。また、ＮｉまたはＮｉＰ（ニッケルリン）やＮｉＢ（ニッケルボロン）などのＮｉ合金でもよく、銅やアルミニウムや金でもよい。また、これらの積層膜でもよい。特にめっき法によるＰ濃度が７ｗｔ％〜１２ｗｔ％のＮｉＰ合金膜が非晶質であり好ましい。上部電極膜２４は、素子のＡｌＳｉ電極２１等のおもて面電極と接続端子との接続のための接合性や強度の観点から設けられ、その合計の膜厚として、１μｍから１０μｍが用いられ、３μｍから５μｍがより好ましく用いられる。例えば、Ｎｉめっき膜の上にさらにＡｕめっき膜を形成してもよい。Ａｕめっき膜を形成することにより、Ｎｉめっき膜を含む電極部を酸化から防止することができ、また、はんだとの濡れ性も良いため好ましい。なお、Ｎｉめっき膜の膜厚は、はんだ等による接続および強度の点から１μｍから１０μｍが好ましく、３μｍから５μｍがより好ましい。また、Ａｕめっき膜の膜厚は、酸化防止と濡れ性、およびコストの点から０．０２μｍから１μｍが好ましく、０．０４μｍから０．１μｍがより好ましい。しかし、上部電極膜２４はめっき膜に限定されるものではなく、スパッタリングにより形成されてもよい。この場合はメタルマスクを用いて、金属電極の露出した個所に成膜する。

次に、上部電極膜２４と第１保護膜２２とが隣接する部分を覆うように第２保護膜２３を選択的に形成する。第１保護膜２２と上部電極膜２４の界面を覆うように形成されるため、上面から見ると、上部電極膜２４を囲むように形成される。第２保護膜２３は、第１保護膜２２と同じ材料の膜を用いて形成することが好ましい。異種材同士でも良いが、同じ材料の方が、密着性に優れるため好ましい。次に、リードフレーム等の導電性接続部材を上部電極膜２４と接合する際に、第１保護膜２２および第２保護膜２３をはんだ付け時のマスクとして用いて、上部電極膜２４にはんだ２５を形成する。このようにして、パワー半導体チップ１が形成される。

図１のパワー半導体モジュールの製造方法は、従来技術によるパワー半導体モジュールと同様である。パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、積層基板１２にパワー半導体チップ１を実装し、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２上に設けられた電極パターン４とを、はんだ２５（接合材３ｂ）を介して、リードフレーム配線６で電気的に接続する。次に、これらを金属基板５に接合して、パワー半導体チップ１、積層基板１２および金属基板５からなる積層組立体を組み立てる。この積層組立体に樹脂ケース７をシリコーン系の接着剤などで接着する。

次に、金属ワイヤ１０でパワー半導体チップ１と金属端子９との間を接続し、樹脂ケース７内にエポキシ樹脂などの硬質樹脂等の封止樹脂８を充填する。これにより、図１に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。なお、封止樹脂８がエポキシ樹脂等の硬質樹脂でない場合、封止樹脂８が外に漏れないようにするため、蓋を取り付けるようにする。封止樹脂８として、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂やポリイミド樹脂やポリアミド樹脂やマレイミド樹脂などを用いることができる。また、線膨張係数を他の部材と調整するためにシリカやアルミナなどの粒子をフィラーとして添加しても良い。また、シリコーンなどの軟質樹脂を用いることもできる。

図６は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す上面図である。凹部２６の間隔Ｔは、１０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。図６では、凹部２６の間隔Ｔは、等間隔となっているが、不均等でもかまわない。凹部２６の間隔Ｔとは、図６に示すように、凹部２６の外周の縁と隣り合う凹部２６の外周の縁との間の距離である。また、凹部２６を上側（第２保護膜２３側）から見た形状（上面形状）は円形であり、この場合、凹部の開口部の大きさとして直径は１０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。なお、上面形状が円形の場合は、凹部の開口部の大きさを直径としたが、楕円の場合は、長径とする。また、上面形状が四角形などの多角形（三角形を除く）の場合の開口部の大きさは対角線の長さとし、三角形の場合は、最も長い垂線の長さとする。なお、上面形状が三角形や四角形などの多角形の場合の間隔Ｔは、もっとも短い距離とする。

図７は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの電極部の詳細を示す断面図である。第１保護膜２２は、例えば、幅１００μｍ程度で、厚さは１０μｍ程度であり、第２保護膜２３は、例えば、幅１００μｍ程度で、厚さは１０μｍ程度である。第２保護膜２３の半分（５０μｍ程度）は、第１保護膜２２と接触して、残り半分（５０μｍ程度）は、上部電極膜２４と接触している。

凹部２６の深さｈは、第１保護膜２２の厚さの３０％以上８０％以下が好ましい。特に３０％以上５０％以下が好ましい。つまり、第１保護膜２２の厚さが、図７に示すように１０μｍである場合、凹部２６の深さｈは、３μｍ以上５μｍ以下が好ましい。この範囲であれば、絶縁性も保たれ、密着性も向上する。また、凹部２６は、第１保護膜２２と上部電極膜２４との界面から一定の距離Ｓ離れていることが好ましい。第１保護膜２２の幅が、図７に示すように１００μｍである場合、距離Ｓは１０μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。距離Ｓが短いと、凹部を形成した際に第１保護膜２２の端部が変形しやすくなるからであり、長すぎると第２保護膜２３と凹部２６の接触面性が減少するからである。また、凹部２６が設けられる領域の幅Ｗは、第１保護膜２２の幅の４０％以上８０％以下が好ましい。第１保護膜２２の幅が、図７に示すように１００μｍである場合、幅Ｗは、４０μｍ以上８０μｍ以下が好ましい。凹部２６は、第２保護膜２３と接する領域の外部に設けられていてもよい。この場合、凹部２６の中に封止樹脂８が入り込み、第１保護膜２２と封止樹脂８との接触面積が増加する。これにより、第１保護膜２２と封止樹脂８とアンカー効果を増大させることができる。

図７は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部２６の断面形状が逆三角形で、立体形状は逆円錐形の例を示しているが、他の断面形状であってもよい。また、図７に示す凹部２６の上面形状は円または楕円形状であるが、三角形や四角形の多角形でもよく、その場合の立体形状は、逆三角錐や逆四角錐などの角錐体でもよい。しかし、第２保護膜２３用の材料が均一に充填されやすいことから円錐形が好ましい。角錐の場合、角部が均一に成形されず、第２保護膜２３や封止樹脂８の樹脂が均一に形成されず、密着強度のバラツキが若干大きくなる場合がある。図８〜図１０は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状の一例を示す断面図である。図８は、凹部２６の断面形状が矩形で、立体形状は円柱形の例である。形状が矩形とは、凹部２６の入り口から底までの幅がほぼ一定の形状であり、立体形状は三角柱、四角柱などの角柱でもよいが、第２保護膜２３用の材料が均一に充填されやすいことから円柱形が好ましい。角柱の場合、角錐と同様に角部に均一に充填されない場合があり、密着強度のバラツキが若干大きくなる場合がある。図９は、凹部２６の断面形状が円形で、立体形状は半球形の例である。図１０は、凹部２６の断面形状が台形、立体形状は円錐台形の例である。形状が台形とは、凹部２６の入り口が台形の長い底辺であり、凹部２６の底が台形の短い底辺である形状であり、立体形状は角錐台形でもよいが、第２保護膜２３用の材料が均一に充填されやすい点から円錐形（逆円錐）が好ましい。角錐台形の場合、上述の角錐や角柱と同様に、角部に均一に充填されない場合があり、密着強度のバラツキが若干大きくなる場合がある。十分なアンカー効果を得るため、凹部２６の断面形状は、台形であることが好ましい。

図１１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の間隔と密着性との関係を示す表である。図１１の比較例は、凹部２６を設けない従来の密着強度を測定した結果である。図１１の比較例以外は、凹部２６の直径を２０μｍ、断面形状を逆三角形、深さを５μｍの逆円錐形として、凹部２６の間隔を１０μｍ、２０μｍ、３０μｍと変化させて後述するプリン試験により密着強度を測定した結果である。密着強度（ＰＩ／ＰＩ）は、第２保護膜２３との密着強度を示し、単位はＭＰａである。密着強度（ＰＩ／エポキシ）は、封止樹脂８との密着強度を示し、単位はＭＰａである。なお、ＰＩとはポリイミドを示し、第１保護膜２２、第２保護膜２３の代表的な材料である。また、エポキシとは封止樹脂８の代表的な材料であり、線膨張係数を調整するためにＳｉＯ₂のフィラーをエポキシ樹脂に対して７０ｗｔ％含んでいる。なお、図１１，図１２，図１３中の「密着強度（ＰＩ/ＰＩ）」とは、ポリイミドとポリイミドの密着強度を、「密着強度（ＰＩ/エポキシ）」とは、ポリイミドとエポキシ樹脂の密着強度を表す。

図１１に示すように、凹部２６の間隔が１０μｍ、２０μｍ、３０μｍのいずれにおいても、第２保護膜２３との密着強度および封止樹脂８との密着強度の両方で、比較例よりも高くなっている。また、第２保護膜２３との密着強度は、凹部２６の間隔が２０μｍの場合が最も高くなっている。一方、封止樹脂８との密着強度は、凹部２６の間隔が３０μｍの場合が最も高くなっている。なお、凹部の間隔Ｔは凹部２６の上面形状によらず同じ傾向であった。

図１２は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の直径と密着性との関係を示す表である。図１２の比較例は、凹部２６を設けない従来の密着強度を測定した結果である。図１２の比較例以外は、凹部２６の間隔を１０μｍ、断面形状を逆三角形、深さを５μｍの逆円錐形として、凹部２６の直径を１０μｍ、２０μｍ、３０μｍと変化させて後述するプリン試験により密着強度を測定した結果である。密着強度（ＰＩ／ＰＩ）および密着強度（ＰＩ／エポキシ）は、図１１と同じである。

図１２に示すように、凹部２６の直径が１０μｍ、２０μｍ、３０μｍのいずれにおいても、第２保護膜２３との密着強度および封止樹脂８との密着強度の両方で、比較例よりも高くなっている。また、第２保護膜２３との密着強度および封止樹脂８との密着強度の両方は、凹部２６の直径が１０μｍの場合が最も高くなっている。なお、凹部の開口部の大きさは凹部２６の上面形状によらず同じ傾向であった。

図１３は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの凹部の断面形状と密着性との関係を示す表である。図１３の比較例は、凹部２６を設けない従来の密着強度を測定した結果である。図１３の比較例以外は、凹部２６の直径を２０μｍ、間隔を１０μｍ、深さを５μｍとして、凹部２６の断面形状を逆三角形（立体形状は逆円錐形）、半円（立体形状は半球状）、台形（立体形状は逆円錐台形）、矩形（立体形状は円柱形）と変化させて後述するプリン試験により密着強度を測定した結果である。密着強度（ＰＩ／ＰＩ）および密着強度（ＰＩ／エポキシ）は、図１１と同じである。

図１３に示すように、第２保護膜２３との密着強度および封止樹脂８との密着強度の両方は、凹部２６の断面形状が台形の場合が最も高くなっている。このため、断面形状としては、台形が好ましい。なお、各密着性は上面形状には依らず断面形状に影響を受けることがわかった。

図１４は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールにおける第１保護層２２と第２保護膜２３、第１保護層２２と封止樹脂８との密着性（密着強度）を評価するプリン試験を示す斜視図である。プリン試験とは、板の上に、プリン型に成型した樹脂を接合させ、横方向、例えば、図１４の矢印Ｔの方向に一定の力で樹脂を押し、樹脂が取れるまでにかかった力（密着力）を測定する試験であって、板と樹脂との密着性（密着強度）を示すものである。密着性は密着力および単位面積当たりの密着力でも示される。測定された力が大きいほど密着性が高くなる。

具体的には、第１保護層２２の材料と第２保護膜２３の材料ないし、第１保護層２２と封止樹脂８との密着性をプリン試験で評価する場合、１０ｍｍ角の正方形のアルミニウム基板をエタノールで清浄化し、１００℃で１時間乾燥後、基板表面に第１保護層２２としてポリイミド膜を形成し、実施の形態の場合、前記ポリイミド膜に凹部を形成し、ポリイミド膜上に専用のプリン型を固定した。プリン型に第２保護膜２３としてポリイミド樹脂または封止樹脂８としてエポキシ樹脂を注入し、所定の条件で硬化させ、基板上に接着面積１０ｍｍ²（φ３．５７ｍｍ）、上面φ３ｍｍ、高さ４ｍｍの硬化物を形成した。この硬化物を固定し、基板面と平行に１ｍｍ／ｓｅｃで押し込み、最大破壊荷重を測定した。試験は各５回実施し、単位接合面積当たりの荷重測定値を密着力とした。室温で測定し、単位はＭＰａである。なお、第１保護層２２、第２保護膜２３として、ポリイミドを、封止樹脂８としてエポキシ樹脂を用いたが、これに限らず同様の傾向であり、密着性の向上が図られた。

以上、説明したように、実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、第１保護膜に凹部を形成し、凹部が形成された領域に第２保護膜を塗布する。これにより、凹部の中に第２保護膜が入り込み、第１保護膜と第２保護膜との接触面積が増加し、アンカー効果が増大する。このため、上部電極膜と第１保護膜との剥離が生じたとしても第１保護膜と第２保護膜の部分への剥離進展を防止できる。また、第１保護膜と封止樹脂が接する個所に凹部が形成されると、凹部の中に封止樹脂が入り込み、第１保護層と封止樹脂の密着性が向上する。

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、半導体として、シリコンの他、炭化珪素、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。

１ パワー半導体チップ
２ 積層基板
３ａ、３ｂ、３ｃ 接合材
４ 電極パターン
５ 金属基板
６ リードフレーム配線
７ 端子ケース
８ 封止樹脂
９ 金属端子
１０ 金属ワイヤ
１２ 積層基板
２０、１２０ 半導体基板上の半導体素子
２１、１２１ ＡｌＳｉ電極
２２、１２２ 第１保護膜
２３、１２３ 第２保護膜
２４、１２４ 上部電極膜
２５、１２５ はんだ
２６ 凹部
２７ 治具
５０ パワー半導体モジュール

Claims (10)

1. 半導体基板上に半導体素子を形成する第１工程と、
   前記半導体素子のおもて面に、前記半導体素子に電気的に接続された電極層を形成する第２工程と、
   前記電極層上に、選択的に第１保護膜を形成する第３工程と、
   前記第１保護膜上の、前記第１保護膜と上部電極膜とが接する部分を覆う第２保護膜が形成される部分に凹部を形成する第４工程と、
   前記電極層上の前記第１保護膜以外の部分に、前記第１保護膜と接するように上部電極膜を形成する第５工程と、
   前記上部電極膜と前記第１保護膜とが接する部分に前記第２保護膜を形成する第６工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第４工程では、凸部を有する治具を前記第１保護膜に押し当てることにより前記凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第４工程では、前記第１保護膜の粘度が３００Ｐａ・ｓ以上１０００Ｐａ・ｓ以下であるときに、前記凹部を形成す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の製造方法。
4. 前記第４工程では、前記凹部を複数形成し、前記凹部間の距離を１０μｍ以上３０μｍ以下に前記凹部を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第４工程では、前記凹部の直径を１０μｍ以上３０μｍ以下に前記凹部を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第４工程では、前記凹部の深さを前記第１保護膜の厚さの３０％以上８０％以下に前記凹部を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第４工程では、前記第１保護膜のおもて面を底辺とした台形形状に前記凹部を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第４工程では、前記凹部を前記第１保護膜と前記上部電極膜とが接する部分から１０μｍ以上３０μｍ以下離して、前記凹部を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１保護膜および前記第２保護膜は、ポリイミド膜であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記上部電極膜は、ニッケルリン（ＮｉＰ）であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

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