JP4601141B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子を実装する半導体装置の製造方法に関し、特に金属電極を半導体素子に超音波接合し、この金属電極を介して半導体素子を電気回路基板上に実装する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に半導体素子を実装する半導体装置としては、半導体素子と金属電極とをワイヤボンディングにより接続する構造が多くとられる。しかし、この構造ではワイヤボンディングによる配線インダクタンスの増加によるノイズ発生や信頼性の低下などの問題が避けられないため、金属電極を半導体素子に超音波接合して半導体装置の電極部とし、回路基板と短い配線距離で信号ならびに電力を授受できるように図られた半導体装置が注目されている。
【0003】
以下、従来構造の半導体装置について図面を参照しながら説明する。
従来の半導体装置の例を図6に示す。半導体素子1はMOSFETであり、半導体素子本体14の第1主面14a上に第1主電極としてのドレイン(図示せず)を有し、第2主面14b上にアルミなどからなる第2主電極としてのソース11および制御電極としてのゲート12をそれぞれ有する。半導体素子1のドレインは、半導体素子本体14の第1主面14a上において、表面をニッケルめっき処理された銅板からなる第1主電極用の装置電極2に対して、半田を用いた第1主電極用の接合手段3により接合され、外部ドレイン端子として働く。
【0004】
半導体素子1のソース11は、表面を金めっき処理された立方体形状の銅片からなる第2主電極用の金属電極8に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。半導体素子1のゲート12は、表面を金めっき処理された立方体形状の銅片からなる制御電極用の金属電極9に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。
【0005】
第2主電極用の金属電極8ならびに制御電極用の金属電極9は、前記第2主面14aと接合される接合面が平坦になるよう成形されている。
第2主電極用の金属電極8ならびに制御電極用の金属電極9の超音波接合は以下のようにして行う。図7に示すように、半導体素子1の第2主面14bが上方に向くように、半導体素子1を超音波接合ステージ51に載置した状態で、超音波出力ホーン52が接続された超音波出力ヘッド53により、第2主電極用金属電極8ならびに制御電極用金属電極9を下方に加圧しながら超音波振動を与えて超音波接合を行う。
【0006】
この超音波接合を行うに際して、図6、図7に示すように、半導体素子1のアルミからなるソース11およびゲート12の表面には、大気中にさらされることで必然的に酸化膜13が形成されており、この酸化膜13が超音波接合には障害となる。そのため、このような金属電極8、9の半導体素子1に対する接合においては、まず金属電極8、9を介して第1加重を加えて酸化膜13を破壊し、合金を形成しやすい条件とした後、第2加重のもとに超音波振動を与えて接合を行う。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の半導体装置の製造方法においては、超音波接合時にアルミなどからなる金属電極8、9の表面に形成された酸化膜13を貫通するための第1加重に伴う運動量を接合面積に比例して大きく取る必要があり、大電流を扱う用途、即ち接合面積を大きく取る用途では第1加重により半導体素子1を破壊する可能性が高くなっていた。
【0008】
さらに、加重や超音波振動により金属電極8、9が半導体素子1のソース11やゲート12に対して位置ずれを生じやすく、正確な接合がなされない可能性が大きかった。
【0009】
さらに、加重や超音波振動により金属電極8、9の水平度が損なわれた場合、接合面積に大きな変動を生じるとともに加重分布のむらを生じ、正確な接合がなされない可能性が大きくなる。
【0010】
上記のような問題により、従来の半導体装置の製造方法によれば、期待された電気的特性が安定して得られず、また製品歩留まりが低下したり、信頼性が低下するという課題を有していた。
【0011】
本発明は上述した課題を考慮してなされたもので、半導体素子に金属電極を超音波接合する際の加重や超音波振動に伴う半導体素子へのダメージや位置ずれが小さく、加重分布および接合強度分布のむらが少ない正確な接合を行うことが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。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決して目的を達成するために、具体的には以下のような手法を講じる。
【0013】
請求項1に対応する発明は、半導体素子に金属電極を超音波接合し、前記金属電極を介して前記半導体素子を電気回路基板上に実装する半導体装置の製造方法において、接合工程に先んじて前記金属電極における前記半導体素子と接合される接合面に凹凸部を設け、前記金属電極の前記凹凸部が設けられている側を半導体素子の電極に超音波接合して、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態とすることを特徴とする。
【0014】
請求項2に対応する発明は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、接合面に設ける凹凸部は前記接合面を凹凸面を持った成形治具を介して加圧成形することにより形成されることを特徴とする。
【0015】
請求項3に対応する発明は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、接合面に設ける凹凸部は前記接合面を研磨成形することにより形成されることを特徴とする。
【0016】
請求項4に対応する発明は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、接合面に設ける凹凸部は前記接合面を化学反応により侵食させることにより形成されることを特徴とする。
【0017】
請求項5に対応する発明は、半導体素子に超音波接合された金属電極を介して前記半導体素子が電気回路基板上に実装された半導体装置であって、金属電極における半導体素子の電極との接合面に凹凸部が設けられて超音波接合され、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態であることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来の半導体装置ならびにその製造に関わる装置と略同様な部分には同一符号を付して説明する。
【0019】
(実施の形態1)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図である。半導体素子1はMOSFETであり、半導体素子本体14の第1主面14a上に第1主電極としてのドレイン(図示せず)を有し、第2主面14b上にアルミなどからなる第2主電極としてのソース11および制御電極としてのゲート12をそれぞれ有する。半導体素子1のドレインは、半導体素子本体14の第1主面14a上において、表面をニッケルめっき処理された銅板からなる第1主電極用の装置電極2に対して、半田を用いた第1主電極用の接合手段3により接合され、外部ドレイン端子として働く。
【0020】
半導体素子1のソース11は、表面を金めっき処理された凹凸付き立方体形状の銅片からなる第2主電極用の金属電極4に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。半導体素子1のゲート12は、接合面に凹凸を設けた立方体形状の銅片からなる制御電極用の金属電極5に対して、超音波接合により機械的および電気的に接続される。
【0021】
ここで本実施の形態の半導体装置では、上記金属電極4、5の表面のうち、半導体素子1と接合される接合面には超音波接合工程に先んじて凹凸部4a,5aを設けている。
【0022】
図2に本実施の形態にかかる半導体装置の構成要素である金属電極4、5の接合面に凹凸部4a,5aを形成する方法を、金属電極4を例に用いて図示する。
すなわち、金めっきした立方体状の銅片からなる金属電極4の接合面となる面に、凹凸面61を持ちかつ金属電極4より硬い物質からなる成形治具60をプレス装置ステージ70に設置し、成形治具60の凹凸面61が金属電極4の接合面となる面に良好に転写されるように、金属電極4の全体形状を損なわない大きさの圧力・時間・温度にてプレス装置ヘッド71でプレスする。
【0023】
以上の工程により金属電極4の接合面となる面には意図する凹凸部4aが形成されるので、この面を接合面として半導体素子1のアルミ電極部(ソース11)と対向させて、超音波接合を行う。なお、図1の上部に、本実施の形態で実現される金属電極4、5の形状を、接合面である凹凸部4a,5aを上にして示す。
【0024】
図3は、本実施の形態に係る半導体装置の、超音波接合に際しての第1加重を加えた瞬間の、超音波接合装置の一部を含む断面図である。
図3に示すように、半導体素子1の第2主面14bが上方に向くように、半導体素子1を超音波接合ステージ51に載置した状態で、超音波出力ホーン52が接続された超音波出力ヘッド53により、第2主電極用の金属電極4ならびに制御電極用の金属電極5を下方に加圧しながら超音波振動を与えて超音波接合を行うと、金属電極4、5の接合面に形成された凹凸部4a,5aが酸化膜13より深くしかもアルミ電極であるソース11やゲート12の厚み分よりは浅く打ち込まれた状態になり、加重や超音波振動により金属電極4、5が半導体素子1の電極部(ソース11やゲート12)に対して位置ずれを生じにくくなるため、正確な接合が可能となる。
【0025】
また、第1加重の不足や凹凸部4a,5aの段差寸法や形状などが原因で酸化膜13が貫通しなかった場合でも、超音波振動により酸化膜13が破壊されて、十分な接合がなされる可能性がある。超音波振動は金属同士が接する面の周縁部いわゆるエッジにおいてより伝達しやすいため、上記のような場合においても従来の半導体装置の製造方法に比べて、エッジの多い電極接合面を実現できる本実施の形態の半導体装置の製造方法を採用することで容易に接合可能である。
【0026】
さらに、加重や超音波振動により金属電極4、5の水平度が損なわれた場合、従来の方法では接合面積に大きな変動を生じるとともに加重分布のむらを生じていたが、従来方法に比較して接合面積の変動および加重分布のむらは本実施の形態の半導体装置の製造方法の採用で、より小さく抑えられるため、より正確な接合が可能となる。
【0027】
なお、金属電極4、5の凹凸部4a,5aの形状としては、図1に示すように、上方ほど水平断面積が小さくなる形状(例えば図1に示すような、角錐形状など)であると、凹凸部4a,5aが酸化膜13より深く食い込み易くなって好適であるが、これに限るものではなく、どのような形状の凹凸部4a,5aであろうと、平面の場合と比べてソース11やゲート12に良好に食い込んで接合し易くなる。
【0028】
(実施の形態2)
図4は本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図である。図1に示すものと同様な構成要素には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。
【0029】
すなわち、第1の実施の形態においては、半導体素子1に超音波接合される金属電極として、プレス工程により接合面に凹凸部4a,5aを設けた凹凸付き金属電極4、5を用いていたが、本実施の形態にかかる半導体装置ならびにその製造方法では、金属電極4、5に代るものとして、研磨工程により接合面に凹凸部6a,7aを設けた研磨加工凹凸付き金属電極6、7を用いている。
【0030】
図5に本実施の形態にかかる半導体装置の構成要素である金属電極6、7の接合面に凹凸部6a,7aを形成する方法を、金属電極6を例に用いて図示する。
すなわち、立方体状の銅片からなる金属電極6を研磨試料固定具81に固定した上で、金属電極6の接合面となる面を、金属電極6より硬い物質からなる研磨粒を表面に固着した回転する研磨ディスク82により研磨する。
【0031】
以上の工程により金属電極6の接合面となる面には溝状の凹凸部6aが形成されるので、この面を接合面として半導体素子1のアルミ電極部(ソース11)と対向させて、超音波接合を行う。なお、接合に先んじて、金属電極6の表面に金めっき処理を施すと金属電極6の表面に酸化膜が生じにくくなるため、より接合が簡易になる。図4の上部に、本実施の形態で実現される金属電極6、7の形状を、接合面である凹凸部6a,7aを上にして示す。
【0032】
ここで、上記第1の実施の形態においては、金属電極4、5をプレスする際に、金属電極4、5の全体形状を損なわないようにプレス圧を制御する必要があり、また成形後の電極高さの正確な制御が困難であったが、本実施の形態を用いれば、金属電極6、7の全体形状はほとんど損なわれず、研磨時間などの条件を変化させることで成形後の電極高さの正確な制御が可能となる。
【0033】
なお、金属電極6、7の凹凸部6a,7aの形状としては、図4に示すように、上方ほど水平断面積が小さくなる三角形状であると、凹凸部6a,7aが酸化膜13より深く食い込み易くなって好適であるが、これに限るものではなく、どのような形状の凹凸部6a,7aであろうと、平面の場合と比べてソース11やゲート12に良好に食い込んで接合し易くなる。
【0034】
また、上記第1、第2の実施の形態における金属電極4〜7の凹凸部4a〜7aの形状を、接合面を化学反応により侵食させることにより形成してもよい。
また、上記第1、第2の実施の形態においては、金属電極4、5は金属片としているが、これらの実施形態と同様に、金属電極4、5が回路基板と電気的に接続して信号ならびに電力を授受できるような他の形状、例えば板形状や柱形状とした変形構成も、本発明の主旨より容易に導出が可能であることは言うまでもない。
【0035】
さらに、上記第1、第2の実施の形態においては、半導体素子1としてMOSFETを用いた例についてのみ説明したが、半導体素子1として異なる種類のもの、例えばIGBTやダイオード、さらにはこれらを集積化したICなどを用いた場合にも同様の効果が得られることは本発明の主旨より明らかである。
【0036】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、金属電極の半導体素子と接合される接合面に凹凸部を設けて、金属電極における凹凸部側を半導体素子の電極に超音波接合して、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態とすることで、超音波接合時に半導体素子の電極部表面の酸化膜を貫通するための第1加重を従来の製造方法(接合方法)に比較して小さい値で十分となり、この結果、第1加重により半導体素子を破壊する可能性が低減される。
【0037】
さらに、加重や超音波振動により金属電極が半導体素子の電極部に対して位置ずれを生じにくくなるため、正確な接合が可能となる。
さらに、加重や超音波振動により金属電極の水平度が損なわれた場合、従来の方法では接合面積に大きな変動を生じるとともに加重分布のむらを生じていたが、従来方法に比較して接合面積の変動および加重分布のむらは小さく抑えられるため、より正確な接合が可能となり、良好な電気的特性が安定して得られ、製品歩留まりの向上ならびに信頼性の向上が実現できる。
【0038】
すなわち本発明の製造方法を採用すると、従来の半導体の接合方法を用いた場合に比べて、電気的特性の改善とともに製品歩留まりの向上と信頼性の向上を可能にする優れた半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図であり、上部には、金属電極単体の斜視図も示す。
【図2】同実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いる金属電極の接合面に凹凸部を形成する工程を示す断面図である。
【図3】同実施の形態に係る半導体装置の製造方法における半導体装置に金属電極を超音波接合する工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置を示した概略的な断面図であり、上部には、金属電極単体の斜視図も示す。
【図5】同実施の形態に係る半導体装置の製造方法に用いる金属電極の接合面に凹凸部を形成する工程を示す断面図である。
【図6】従来の半導体装置を示した概略的な断面図である。
【図7】同従来の半導体装置の製造方法において金属電極を超音波接合する工程を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体素子
4〜7 金属電極
4a〜7a 凹凸部
11 ソース(電極部)
12 ゲート(電極部)
13 酸化膜
14 半導体素子本体
51 超音波接合ステージ
52 超音波出力ホーン
53 超音波出力ヘッド
60 成形治具
61 凹凸面
81 研磨試料固定具
82 研磨ディスク
Claims (5)
- 半導体素子に金属電極を超音波接合し、前記金属電極を介して前記半導体素子を電気回路基板上に実装する半導体装置の製造方法において、接合工程に先んじて前記金属電極における前記半導体素子と接合される接合面に凹凸部を設け、前記金属電極の前記凹凸部が設けられている側を半導体素子の電極に超音波接合して、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 接合面に設ける凹凸部は前記接合面を凹凸面を持った成形治具を介して加圧成形することにより形成される請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 接合面に設ける凹凸部は前記接合面を研磨成形することにより形成される請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 接合面に設ける凹凸部は前記接合面を化学反応により侵食させることにより形成される請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体素子に超音波接合された金属電極を介して前記半導体素子が電気回路基板上に実装された半導体装置であって、金属電極における半導体素子の電極との接合面に凹凸部が設けられて超音波接合され、前記凹凸部が前記半導体素子の電極の酸化膜より深くかつ前記半導体素子の電極の厚みより浅く前記半導体素子の電極に打ち込まれた状態であることを特徴とする半導体装置。
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