JP5549118B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、はんだ接合層を有する表面電極を備えた半導体装置と、その製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a surface electrode having a solder joint layer and a method for manufacturing the same.

パワーデバイスとしての半導体装置では、はんだ付け等によって半導体装置を金属板等の放熱板に接合し、この放熱板を介して半導体装置で発生した熱を放熱させることがある。例えば、特許文献1では、半導体装置の裏面側と表面側の双方がそれぞれ放熱板にはんだを介して接合されている。これによって、半導体装置の表面側と裏面側の両側に接合された放熱板から放熱させることができる。   In a semiconductor device as a power device, the semiconductor device may be joined to a heat radiating plate such as a metal plate by soldering or the like, and heat generated in the semiconductor device may be radiated through the heat radiating plate. For example, in Patent Document 1, both the rear surface side and the front surface side of the semiconductor device are joined to the heat sink via solder. As a result, heat can be radiated from the heat sinks bonded to both the front and back sides of the semiconductor device.

特許文献1では、半導体装置の表面側には表面電極が形成されており、ウェハの段階で表面電極にはんだ材をコートし、放熱板にはんだ付けされる。はんだ付けを行うための表面電極には、Ni層等のはんだ接合層が必要であり、この場合、Ni層と半導体基板との間に、Al層やAl−Si層を形成する必要がある。一方、ワイヤボンディングによって外部部材と接続するための表面電極であれば、例えば、Al−Si層、Al層、もしくはこれらを積層したものが利用される。特許文献1では、ワイヤボンディングを行うためのAl−Si層、Al層を積層した電極をそのまま利用して、その表面にバリア層としてのTi層、はんだ接合層としてのNi層、Ni層の酸化防止層としてのAu層を積層している。その後、Au層の表面にはんだコートを行い、ダイシングした後、金属板と表面電極とをはんだを介して接合させる。   In Patent Document 1, a surface electrode is formed on the surface side of a semiconductor device, and a solder material is coated on the surface electrode at the stage of a wafer and soldered to a heat sink. The surface electrode for soldering requires a solder joint layer such as an Ni layer. In this case, an Al layer or an Al—Si layer needs to be formed between the Ni layer and the semiconductor substrate. On the other hand, if it is a surface electrode for connecting to an external member by wire bonding, for example, an Al—Si layer, an Al layer, or a laminate of these is used. In Patent Document 1, an Al—Si layer for performing wire bonding and an electrode in which an Al layer is laminated are used as they are, and a Ti layer as a barrier layer, a Ni layer as a solder joint layer, and an oxidation of the Ni layer on the surface thereof. An Au layer as a prevention layer is laminated. Thereafter, solder coating is performed on the surface of the Au layer, and after dicing, the metal plate and the surface electrode are joined via solder.

特開2006−13080号公報JP 2006-13080 A

表面電極にはんだ接合層を有する半導体装置では、ウェハの大口径化、薄板化に伴い、ウェハの反り発生やNi層等のはんだ接合層のクラック発生がより起こり易くなっている。ウェハの反りやはんだ接合層のクラックの発生は、その後の製造工程での作業を困難にし、製造した半導体装置の電気特性に支障を来す原因となる。   In a semiconductor device having a solder joint layer on the surface electrode, the wafer warp and the cracks in the solder joint layer such as the Ni layer are more likely to occur as the diameter of the wafer increases and the thickness decreases. The occurrence of wafer warpage and solder joint layer cracks makes it difficult to carry out the work in the subsequent manufacturing process, which causes problems in the electrical characteristics of the manufactured semiconductor device.

本発明者らは、鋭意研究の結果、ウェハの反りやはんだ接合層のクラックを抑制するためには、はんだ接合層と、Al−Si層やAl層との界面の平坦性を確保することが効果的であることを見出した。そして、この界面の平坦性を確保するために適したAl−Si層、Al層について検討した結果、平坦性は確保できるものの、シリコンノジュールの発生によって、半導体基板と表面電極とのオーミック接触が確保できなくなる場合があることも見出した。   As a result of diligent research, the present inventors have ensured the flatness of the interface between the solder bonding layer and the Al-Si layer or Al layer in order to suppress warpage of the wafer and cracks in the solder bonding layer. I found it effective. As a result of studying Al-Si layers and Al layers suitable for ensuring the flatness of the interface, the flatness can be ensured, but the generation of silicon nodules ensures the ohmic contact between the semiconductor substrate and the surface electrode. I also found out that it might not be possible.

本願は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体基板と表面電極とのオーミック接触を確保することと、ウェハの反りやはんだ接合層のクラックを抑制することとを両立して実現させることにある。   The present application has been made in view of such a point, and the purpose thereof is to ensure ohmic contact between the semiconductor substrate and the surface electrode, and to suppress warpage of the wafer and cracks in the solder bonding layer. Is to achieve both.

そこで、本願は、半導体基板と、半導体基板の表面に接する第1層と、第1層の表面に接する第2層と、第2層よりも半導体基板から離れた位置に積層された第3層と、第3層よりも半導体基板から離れた位置に積層された第4層とを含む表面電極とを備えた半導体装置であって、第1層は、250℃以下の基板温度でスパッタ法によって形成されたアルミニウム−シリコン合金(Al−Si)層またはアルミニウム−シリコン−銅合金(Al−Si−Cu)層であり、第2層は、400℃以上の基板温度でスパッタ法によって形成されたアルミニウム(Al)層またはアルミニウム−銅(Al−Cu)合金層であり、第3層は、はんだ接合層であり、第4層は、はんだ層である半導体装置を開示する
Therefore, the present application relates to a semiconductor substrate, a first layer in contact with the surface of the semiconductor substrate, a second layer in contact with the surface of the first layer, and a third layer stacked at a position farther from the semiconductor substrate than the second layer. And a surface electrode including a fourth layer laminated at a position farther from the semiconductor substrate than the third layer, wherein the first layer is formed by sputtering at a substrate temperature of 250 ° C. or lower. The formed aluminum-silicon alloy (Al-Si) layer or aluminum-silicon-copper alloy (Al-Si-Cu) layer, and the second layer is aluminum formed by sputtering at a substrate temperature of 400 ° C or higher. Disclosed is a semiconductor device that is an (Al) layer or an aluminum-copper (Al-Cu) alloy layer, the third layer is a solder joint layer, and the fourth layer is a solder layer.

上記の半導体装置では、半導体基板に接する第1層としてAl−Si層もしくはAl−Si−Cu層を用いているため、はんだリフロー工程などの熱処理工程におけるアルミスパイク発生を抑制できる。また、250℃以下の基板温度でスパッタ法を行うことによって第1層を形成するため、シリコンノジュールの発生を防止することができ、半導体基板と表面電極とのオーミック接触を確保することができる。さらに、その表面に形成される第2層を400℃以上の基板温度で形成するため、第2層の表面の平坦性が確保でき、ウェハの反りやはんだ接合層のクラック発生を防止することができる。第2層として用いるAl層、Al−Cu層は、Al−Si層やAl−Si−Cu層と異なり、400℃以上の基板温度でスパッタ法を行っても、平坦性の良い膜を形成することができる。
In the semiconductor device described above, since an Al—Si layer or an Al—Si—Cu layer is used as the first layer in contact with the semiconductor substrate, generation of aluminum spikes in a heat treatment process such as a solder reflow process can be suppressed. In addition, since the first layer is formed by performing the sputtering method at a substrate temperature of 250 ° C. or lower, generation of silicon nodules can be prevented and ohmic contact between the semiconductor substrate and the surface electrode can be ensured. Furthermore, since the second layer formed on the surface is formed at a substrate temperature of 400 ° C. or higher, the flatness of the surface of the second layer can be secured, and the occurrence of wafer warpage and cracks in the solder joint layer can be prevented. it can. Unlike the Al-Si layer and the Al-Si-Cu layer, the Al layer and Al-Cu layer used as the second layer form a film with good flatness even when sputtering is performed at a substrate temperature of 400 ° C or higher. be able to.

願は、上記の半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、250℃以下の基板温度でスパッタ法を行って、半導体基板の表面にAl−Si層またはAl−Si−Cu層によって第1層を形成する第1工程と、第1工程の後に、400℃以下の基板温度でスパッタ法を行って、第1層の表面にAl層またはAl−Cu層によって第2層を形成する第2工程と、第2工程の後に、第2層よりも表面側にはんだ接合層である第3層を形成する第3工程と、第3工程の後に、第3層よりも表面側にはんだ層である第4層を形成する第4工程とを含む。
This gun provides a method of manufacturing the semiconductor device. This manufacturing method includes a first step of performing a sputtering method at a substrate temperature of 250 ° C. or less to form a first layer on the surface of a semiconductor substrate with an Al—Si layer or an Al—Si—Cu layer, and a first step Later, a sputtering process is performed at a substrate temperature of 400 ° C. or lower to form a second layer with an Al layer or an Al—Cu layer on the surface of the first layer, and after the second process, Includes a third step of forming a third layer which is a solder bonding layer on the surface side, and a fourth step of forming a fourth layer which is a solder layer on the surface side of the third layer after the third step. Mu

願が提供する半導体装置の製造方法によれば、半導体基板と表面電極とのオーミック接触を確保しつつ、ウェハの反りやはんだ接合層のクラックを抑制することができる。
According to the manufacturing method of a semiconductor device provided by the present gun, while ensuring an ohmic contact between the semiconductor substrate and the surface electrode, it is possible to suppress the crack of wafer warpage or solder bonding layer.

実施例1の半導体装置を備えた半導体モジュール。A semiconductor module including the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の表面電極近傍の断面を模式的に示す図。FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross section in the vicinity of a surface electrode of the semiconductor device of Example 1. 実施例1の半導体装置の製造方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の製造方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の製造方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の製造方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の製造方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の製造方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1の半導体装置の製造方法で用いるスパッタ装置の概念図。1 is a conceptual diagram of a sputtering apparatus used in the method for manufacturing a semiconductor device of Example 1. 変形例の半導体装置の表面電極の平面図。The top view of the surface electrode of the semiconductor device of a modification. 変形例の半導体装置の表面電極の平面図。The top view of the surface electrode of the semiconductor device of a modification. 変形例の半導体装置の表面電極の平面図。The top view of the surface electrode of the semiconductor device of a modification. Al層のスパッタ時の基板温度とウェハ反り量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the substrate temperature at the time of the sputtering of an Al layer, and the amount of wafer curvature.

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。本実施例に係る半導体装置10は、図1に示すように、半導体モジュール1の内部に設置されている。半導体モジュール1はモールド材24で覆われており、裏面側には金属板22が露出しており、表面側には金属板23が露出している。金属板22にはリード221が接続されており、金属板23には、リード231が接続されている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. A semiconductor device 10 according to the present embodiment is installed inside a semiconductor module 1 as shown in FIG. The semiconductor module 1 is covered with a molding material 24, the metal plate 22 is exposed on the back surface side, and the metal plate 23 is exposed on the front surface side. Leads 221 are connected to the metal plate 22, and leads 231 are connected to the metal plate 23.

半導体装置10は、半導体基板11、裏面電極12、表面電極13を備えている。表面電極13と表面側金属板23とをはんだ付けし、裏面電極12と裏面側金属板22とをはんだ付けすることによって、半導体装置10は、2つの金属板22、23の間に固定される。半導体モジュール1の外部に露出する2つの金属板22、23と接合しているため、半導体装置10で発生した熱が、金属板22、23から放熱し易い構成となっている。   The semiconductor device 10 includes a semiconductor substrate 11, a back electrode 12, and a front electrode 13. The semiconductor device 10 is fixed between the two metal plates 22 and 23 by soldering the front electrode 13 and the front metal plate 23 and soldering the back electrode 12 and the rear metal plate 22. . Since the two metal plates 22 and 23 exposed to the outside of the semiconductor module 1 are joined, the heat generated in the semiconductor device 10 is easily radiated from the metal plates 22 and 23.

図2は、半導体装置10の表面電極近傍の断面を模式的に示す図である。尚、図2では、半導体装置10の図の横方向に繰返される構成を省略し、その一部を示している。図2に示すように、半導体基板11には、パワーデバイスとして利用可能な縦型のトレンチゲート型IGBTが作り込まれている。半導体基板11には、その裏面側から、第1導電型のコレクタ領域18と、第2導電型のドリフト領域19と、第1導電型のボディ領域14が積層されており、ボディ領域14の表面には第2導電型のエミッタ領域15が形成されている。半導体基板11の表面側からボディ領域14を貫通するトレンチゲート17が設けられている。トレンチゲート17はエミッタ領域15と接している。トレンチゲート17は、ゲート絶縁膜によって覆われたゲート電極を備えており、ゲート電極の表面は、半導体基板11の表面の一部に形成された層間絶縁膜16によって覆われている。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section near the surface electrode of the semiconductor device 10. In FIG. 2, the configuration of the semiconductor device 10 repeated in the horizontal direction in the drawing is omitted, and a part thereof is shown. As shown in FIG. 2, a vertical trench gate type IGBT that can be used as a power device is built in the semiconductor substrate 11. On the semiconductor substrate 11, a first conductivity type collector region 18, a second conductivity type drift region 19, and a first conductivity type body region 14 are stacked from the back surface side. Is formed with a second conductivity type emitter region 15. A trench gate 17 penetrating the body region 14 from the surface side of the semiconductor substrate 11 is provided. The trench gate 17 is in contact with the emitter region 15. The trench gate 17 includes a gate electrode covered with a gate insulating film, and the surface of the gate electrode is covered with an interlayer insulating film 16 formed on a part of the surface of the semiconductor substrate 11.

半導体基板11および層間絶縁膜16の表面に接してAl−Si層131が形成されている。さらにその表面にAl層132、Ni層133、合金層135、はんだ層134が形成されている。Al−Si層131、Al層132の表面の一部に保護膜としてのポリイミド層140が形成されており、Ni層133、合金層135、はんだ層134の側面と接している。   An Al—Si layer 131 is formed in contact with the surfaces of the semiconductor substrate 11 and the interlayer insulating film 16. Further, an Al layer 132, a Ni layer 133, an alloy layer 135, and a solder layer 134 are formed on the surface. A polyimide layer 140 as a protective film is formed on part of the surfaces of the Al—Si layer 131 and the Al layer 132, and is in contact with the side surfaces of the Ni layer 133, the alloy layer 135, and the solder layer 134.

Al−Si層131は、シリコン(Si)を含み、アルミニウム(Al)を主成分とする第1層の一例であり、半導体基板11の表面(エミッタ領域15が形成されている側)に接している。第1層は、半導体基板11の主成分であるSiを含有しているため、はんだリフロー工程等の熱処理工程によってアルミスパイクが発生することを抑制できる。後述するように、Al−Si層131は、250℃以下の基板温度でスパッタ法を行うことによって形成される。第1層としてAl−Si層を用いる場合には、Siの質量濃度は0.1wt%以上であることが好ましい。第1層は、3〜4μm程度の厚さに形成されることが好ましい。   The Al—Si layer 131 is an example of a first layer containing silicon (Si) and containing aluminum (Al) as a main component, and is in contact with the surface of the semiconductor substrate 11 (the side on which the emitter region 15 is formed). Yes. Since the 1st layer contains Si which is the main ingredient of semiconductor substrate 11, it can control that an aluminum spike is generated by heat treatment processes, such as a solder reflow process. As will be described later, the Al—Si layer 131 is formed by performing sputtering at a substrate temperature of 250 ° C. or lower. When an Al—Si layer is used as the first layer, the mass concentration of Si is preferably 0.1 wt% or more. The first layer is preferably formed to a thickness of about 3 to 4 μm.

第1層としては、250℃以下の基板温度でスパッタ法によって形成されたAl−Si−Cu合金層を用いてもよい。この場合、銅(Cu)の質量濃度は0.3wt%以上であることが好ましい。   As the first layer, an Al—Si—Cu alloy layer formed by sputtering at a substrate temperature of 250 ° C. or lower may be used. In this case, the mass concentration of copper (Cu) is preferably 0.3 wt% or more.

Al層132は、Alを主成分とする第2層の一例であり、Al−Si層131の表面に接している。Al層132は、後述するように、400℃以上の基板温度でスパッタ法を行うことによって形成される。第2層としてAl層を用いる場合には、不純物の質量濃度は0.1wt%以下であることが好ましい。第2層は、1μm以上の厚さに形成されることが好ましい。   The Al layer 132 is an example of a second layer containing Al as a main component, and is in contact with the surface of the Al—Si layer 131. As will be described later, the Al layer 132 is formed by performing sputtering at a substrate temperature of 400 ° C. or higher. When an Al layer is used as the second layer, the impurity mass concentration is preferably 0.1 wt% or less. The second layer is preferably formed to a thickness of 1 μm or more.

第2層としては、400℃以上の基板温度でスパッタ法によって形成されたAl−Cu層を用いてもよい。この場合、Cuの質量濃度は0.3wt%以上であることが好ましい。第2層として用いるAl層、Al−Cu層は、第1層として用いるAl−Si層やAl−Si−Cu層と異なり、400℃以上の基板温度でスパッタ法を行っても、平坦性の良い膜を形成することができる。   As the second layer, an Al—Cu layer formed by sputtering at a substrate temperature of 400 ° C. or higher may be used. In this case, it is preferable that the mass concentration of Cu is 0.3 wt% or more. Unlike the Al-Si layer and Al-Si-Cu layer used as the first layer, the Al layer and Al-Cu layer used as the second layer are flat even when the sputtering method is performed at a substrate temperature of 400 ° C or higher. A good film can be formed.

Ni層133は、はんだ接合層である第3層の一例であり、本実施例においては、Al層132の表面に接している。第3層としては、はんだと共晶を形成できる材料を用いることができ、本実施例で用いているNiのほか、Cu等を好適に用いることができる。第3層は、5〜10μm程度の厚さに形成されることが好ましい。   The Ni layer 133 is an example of a third layer that is a solder joint layer, and is in contact with the surface of the Al layer 132 in this embodiment. As the third layer, a material capable of forming a eutectic with solder can be used, and in addition to Ni used in this embodiment, Cu or the like can be suitably used. The third layer is preferably formed to a thickness of about 5 to 10 μm.

尚、第2層と第3層との間に、バリア金属層が形成されていてもよい。バリア金属層としては、第2層の表面の平坦性を損なわないチタン(Ti)、チタン窒化物(TiN)、チタンタングステン(TiW)等を好適に用いることができる。   A barrier metal layer may be formed between the second layer and the third layer. As the barrier metal layer, titanium (Ti), titanium nitride (TiN), titanium tungsten (TiW) or the like that does not impair the flatness of the surface of the second layer can be suitably used.

本実施例では、Ni層133の表面には、合金層135、はんだ層134が形成されている。はんだ層134は、第4層の一例であり、錫(Sn)系、銀(Ag)系、鉛(Pb)系のはんだを好適に用いることができる。合金層135は、Ni層133(はんだ接合層である第3層)の一部とはんだ層134の一部が合金を形成することによって形成される。   In this embodiment, an alloy layer 135 and a solder layer 134 are formed on the surface of the Ni layer 133. The solder layer 134 is an example of a fourth layer, and tin (Sn) -based, silver (Ag) -based, and lead (Pb) -based solder can be preferably used. The alloy layer 135 is formed by forming a part of the Ni layer 133 (third layer which is a solder joint layer) and a part of the solder layer 134 to form an alloy.

尚、第3層の表面に接して、はんだ接合層の酸化を防止する酸化防止層が形成されていてもよい。酸化防止層としては、第3層の表面酸化を防止し、はんだとの濡れ性を確保できる材料を利用でき、金(Au)、銀(Ag)等を好適に用いることができる。第3層の表面に酸化防止層が形成されている場合には、酸化防止層の成分も合金層135の成分の一つとなる。   An antioxidant layer that prevents the solder joint layer from being oxidized may be formed in contact with the surface of the third layer. As the antioxidant layer, a material that can prevent surface oxidation of the third layer and ensure wettability with solder can be used, and gold (Au), silver (Ag), or the like can be preferably used. When the antioxidant layer is formed on the surface of the third layer, the component of the antioxidant layer is one of the components of the alloy layer 135.

次に、本実施例に係る表面電極の製造方法について説明する。図3に示すように、半導体基板11にIGBTを形成し、その表面に層間絶縁膜16を形成したシリコン製のウェハ100を用意する。ウェハ100の表面側に、第1層、第2層、第3層、第4層を形成することによって、表面電極を製造する。   Next, the manufacturing method of the surface electrode which concerns on a present Example is demonstrated. As shown in FIG. 3, a silicon wafer 100 is prepared in which an IGBT is formed on a semiconductor substrate 11 and an interlayer insulating film 16 is formed on the surface thereof. A surface electrode is manufactured by forming a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer on the front surface side of the wafer 100.

(第1工程)
まず、ウェハ100の表面にスパッタ法によって、第1層としてのAl−Si層131を形成する。図9は、本実施例に係るAl−Si層131、Al層132を形成するためのスパッタ装置36を概念的に示す図である。スパッタ装置36は、チャンバ34内に、バッキングプレート361と、ターゲット362と、ステージ343とを備えている。スパッタ装置36は、ターゲット362と、ステージ343上に載置するウェハとの間に高電圧を印加することが可能な構成となっている。ターゲット362とステージ343とは、チャンバ34内において対向しており、離間して配置されている。ステージ343には、温度検知手段が設置されており、ステージ343上に載置されるウェハ100の温度(基板温度)を検知することができる。
(First step)
First, an Al—Si layer 131 as a first layer is formed on the surface of the wafer 100 by sputtering. FIG. 9 is a diagram conceptually showing a sputtering apparatus 36 for forming the Al—Si layer 131 and the Al layer 132 according to this embodiment. The sputtering apparatus 36 includes a backing plate 361, a target 362, and a stage 343 in the chamber 34. The sputtering apparatus 36 is configured to be able to apply a high voltage between the target 362 and the wafer placed on the stage 343. The target 362 and the stage 343 are opposed to each other in the chamber 34 and are spaced apart. The stage 343 is provided with temperature detection means, and can detect the temperature (substrate temperature) of the wafer 100 placed on the stage 343.

ウェハ100をステージ343上に載置し、ターゲット362として用いる材料をAl−Si合金とし、スパッタを行うことによって、Al−Si層131をウェハ100の表面に形成することができる。ウェハ100は、層間絶縁膜16が形成されている表面側がターゲット362側となるように、ステージ343上に載置される。チャンバ34内を減圧し、ステージ343に設置された温度検知手段の検知値に基づき、基板温度が250℃以下の所定の温度となるように制御する。基板温度は、室温(25℃)以上250℃以下の範囲で設定することが好ましい。減圧が完了した後に、Arガスの導入を開始し、ターゲット362と、ステージ343上に載置するウェハ100との間に高電圧を印加する。これによって、図4に示すように、ウェハ100の表面にAl−Si層131を形成することができる。本実施例では、250℃以下の基板温度でAl−Si層131を形成するため、シリコンノジュールの発生を防止することができる。   The Al—Si layer 131 can be formed on the surface of the wafer 100 by placing the wafer 100 on the stage 343, using Al—Si alloy as the target 362, and performing sputtering. The wafer 100 is placed on the stage 343 such that the surface side on which the interlayer insulating film 16 is formed is the target 362 side. The inside of the chamber 34 is depressurized and controlled so that the substrate temperature becomes a predetermined temperature of 250 ° C. or lower based on the detection value of the temperature detection means installed on the stage 343. The substrate temperature is preferably set in the range of room temperature (25 ° C.) to 250 ° C. After the decompression is completed, the introduction of Ar gas is started, and a high voltage is applied between the target 362 and the wafer 100 placed on the stage 343. Thereby, as shown in FIG. 4, an Al—Si layer 131 can be formed on the surface of the wafer 100. In this embodiment, since the Al—Si layer 131 is formed at a substrate temperature of 250 ° C. or lower, generation of silicon nodules can be prevented.

(第2工程)
次に、同様にスパッタ法によって、第2層としてのAl層132を形成する。ターゲット362として用いる材料を高純度Alとし、ステージ343に設置された温度検知手段の検知値に基づき、基板温度が400℃以上の所定の温度となるように制御して、スパッタを行う。基板温度は、400℃以上500℃以下の範囲で設定することが好ましい。これによって、図5に示すように、Al−Si層131の表面にAl層132を形成することができる。400℃以上の基板温度でAl層132を形成するため、Al層132の表面の平坦性が確保できる。
(Second step)
Next, an Al layer 132 as a second layer is formed similarly by sputtering. The material used as the target 362 is made of high-purity Al, and sputtering is performed by controlling the substrate temperature to be a predetermined temperature of 400 ° C. or higher based on the detection value of the temperature detection means installed on the stage 343. The substrate temperature is preferably set in the range of 400 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Thereby, as shown in FIG. 5, the Al layer 132 can be formed on the surface of the Al—Si layer 131. Since the Al layer 132 is formed at a substrate temperature of 400 ° C. or higher, the flatness of the surface of the Al layer 132 can be ensured.

尚、第2層と第3層との間にバリア金属層を形成する場合には、図5に示す状態のウェハ100の表面にバリア金属層を形成する。例えば、バリア金属層としてTi層を形成する場合には、Tiを材料とするターゲットを用いてスパッタを行う方法等によって形成することができる。   When a barrier metal layer is formed between the second layer and the third layer, the barrier metal layer is formed on the surface of the wafer 100 in the state shown in FIG. For example, when a Ti layer is formed as the barrier metal layer, it can be formed by a method of performing sputtering using a target made of Ti.

次に、ウェハ100を取り出して、図6に示すように、保護層としてのポリイミド層140を形成する。ポリイミド層140は、例えば、ポリアミド酸をウェハ100に塗布した後、アニール処理によって重合することによって形成することができる。   Next, the wafer 100 is taken out and a polyimide layer 140 as a protective layer is formed as shown in FIG. The polyimide layer 140 can be formed, for example, by applying polyamic acid to the wafer 100 and then polymerizing by annealing treatment.

(第3工程)
さらに、図7に示すように、第3層として、Ni層133を無電解めっきによって形成する。Ni層133の無電解めっきは、例えば、還元剤に次亜リン酸ナトリウムを用いるニッケル−リン合金(Ni−P)めっき等によって行うことができる。
(Third step)
Further, as shown in FIG. 7, a Ni layer 133 is formed as the third layer by electroless plating. The electroless plating of the Ni layer 133 can be performed by, for example, nickel-phosphorus alloy (Ni-P) plating using sodium hypophosphite as a reducing agent.

尚、第3層と第4層との間に、酸化防止層を形成する場合には、図7に示す状態のウェハ100の表面に酸化防止層を形成する。例えば、酸化防止層としてAu層を形成する場合には、無電解めっき等の方法によって形成することが可能である。   When an antioxidant layer is formed between the third layer and the fourth layer, the antioxidant layer is formed on the surface of the wafer 100 in the state shown in FIG. For example, when an Au layer is formed as the antioxidant layer, it can be formed by a method such as electroless plating.

(第4工程)
次に、図8に示すように、その表面に第4層としてはんだ層134を塗布する。この後、はんだリフロー工程を行う。はんだリフロー工程で行われる熱処理によって、Ni層133とはんだ層134との間に合金層135が形成され、図2に示す半導体装置10を製造することができる。
(4th process)
Next, as shown in FIG. 8, a solder layer 134 is applied to the surface as a fourth layer. Thereafter, a solder reflow process is performed. By the heat treatment performed in the solder reflow process, an alloy layer 135 is formed between the Ni layer 133 and the solder layer 134, and the semiconductor device 10 shown in FIG. 2 can be manufactured.

図13は、上記の製造工程において、Al層を形成する第2工程において、スパッタ時の基板温度を変更した場合のウェハ反り量を調べた結果を示す図である。縦軸はウェハ反り量を任意単位(Arbitrary Unit:arb.unit)で示しており、縦軸の矢印方向にウェハ反り量が大きくなっている。横軸はスパッタ時の基板温度を示している。図13に示す実験点は、それぞれAl層を形成する工程において、基板温度を360℃、380℃、400℃、420℃、450℃としてスパッタを行った結果を示している。図13のグラフ中の実線は、実験点を結ぶ線であり、実験点よりも低温側に伸びる破線は、実験点に基づいてシミュレーションを行った結果を示している。図13より、Al層のスパッタ時の基板温度が高くなるほど、ウェハ反りが抑制されることがわかる。   FIG. 13 is a diagram showing a result of examining the amount of wafer warpage when the substrate temperature during sputtering is changed in the second step of forming the Al layer in the above manufacturing process. The vertical axis indicates the amount of wafer warpage in arbitrary units (Arbitrary Unit: arb.unit), and the amount of wafer warpage increases in the direction of the arrow on the vertical axis. The horizontal axis represents the substrate temperature during sputtering. The experimental points shown in FIG. 13 show the results of sputtering at substrate temperatures of 360 ° C., 380 ° C., 400 ° C., 420 ° C., and 450 ° C. in the step of forming the Al layer. The solid line in the graph of FIG. 13 is a line connecting the experimental points, and the broken line extending to the low temperature side from the experimental point indicates the result of simulation based on the experimental point. From FIG. 13, it can be seen that the wafer warpage is suppressed as the substrate temperature during the sputtering of the Al layer increases.

また、図13に示す360℃、380℃の基板温度でスパッタを行ったウェハでは、ウェハ搬送工程において搬送異常が発生し、ウェハのクラック発生が観察された。一方、図13に示す400℃、420℃、450℃の基板温度でスパッタを行ったウェハでは、ウェハ搬送工程での搬送異常が生じることがなく、ウェハのクラック発生も観察されなかった。上記の結果より、本実施例の製造方法のように、400℃以上の基板温度でスパッタを行ってAl層を形成すれば、ウェハの反りが抑制されてウェハの搬送異常が生じなくなるとともに、ウェハのクラック発生も観察されなくなることがわかった。   Further, in the wafer sputtered at the substrate temperatures of 360 ° C. and 380 ° C. shown in FIG. 13, a conveyance abnormality occurred in the wafer conveyance process, and the generation of cracks in the wafer was observed. On the other hand, in the wafers sputtered at the substrate temperatures of 400 ° C., 420 ° C., and 450 ° C. shown in FIG. 13, no conveyance abnormality occurred in the wafer conveyance process, and no occurrence of cracks in the wafer was observed. From the above results, if the Al layer is formed by performing sputtering at a substrate temperature of 400 ° C. or higher as in the manufacturing method of the present embodiment, the warpage of the wafer is suppressed and the wafer conveyance abnormality does not occur, and the wafer It was found that no cracks were observed.

上記のとおり、本実施例に係る製造方法においては、250℃以下の基板温度でスパッタ法を行うことによってAl−Si層131を形成するため、シリコンノジュールの発生を防止することができ、半導体基板と表面電極とのオーミック接触を確保することができる。さらに、その表面に400℃以上の基板温度でスパッタ法を行うことによってAl層132を形成するため、Al層132の表面の平坦性が確保できる。これによって、Al層132の表面に形成されるNi層133の表面の平坦性を確保することができ、ウェハの反りやNi層133のクラック発生を防止することができる。   As described above, in the manufacturing method according to this example, since the Al—Si layer 131 is formed by performing the sputtering method at a substrate temperature of 250 ° C. or less, generation of silicon nodules can be prevented, and the semiconductor substrate And ohmic contact with the surface electrode can be ensured. Furthermore, since the Al layer 132 is formed on the surface by sputtering at a substrate temperature of 400 ° C. or higher, the flatness of the surface of the Al layer 132 can be ensured. Thereby, the flatness of the surface of the Ni layer 133 formed on the surface of the Al layer 132 can be secured, and the warpage of the wafer and the occurrence of cracks in the Ni layer 133 can be prevented.

尚、本実施例では、半導体装置の全面に本実施例に係る表面電極が形成されていたが、半導体装置の一部に形成されていてもよい。半導体装置の一部に本実施例に係る表面電極を形成する場合には、比較的発熱量の大きい箇所に形成することが効果的である。例えば、図10に示すように、半導体装置のうち、大電流が流れ、発熱し易いメインセル3の表面電極にのみ本実施例に係る表面電極13を用い、発熱が少ないセンスセル5の表面電極としては従来の表面電極93を用いてもよい。また、メインセル3の表面電極の一部にのみ本実施例に係る表面電極を用いる場合には、図11や図12に示すように、より発熱によって温度上昇しやすい半導体装置の中央部に本実施例に係る表面電極13を形成することが好ましい。   In this embodiment, the surface electrode according to this embodiment is formed on the entire surface of the semiconductor device. However, the surface electrode may be formed on a part of the semiconductor device. In the case where the surface electrode according to the present embodiment is formed in a part of the semiconductor device, it is effective to form the surface electrode in a portion having a relatively large calorific value. For example, as shown in FIG. 10, in the semiconductor device, the surface electrode 13 according to the present embodiment is used only for the surface electrode of the main cell 3 where a large current flows and easily generates heat, and the surface electrode of the sense cell 5 that generates little heat is used. May use a conventional surface electrode 93. In addition, when the surface electrode according to the present embodiment is used only for a part of the surface electrode of the main cell 3, as shown in FIG. 11 and FIG. It is preferable to form the surface electrode 13 according to the embodiment.

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

1 半導体モジュール
3 メインセル
5 センスセル
10 半導体装置
11 半導体基板
12 裏面電極
13 表面電極
14 ボディ領域
15 エミッタ領域
16 層間絶縁膜
17 トレンチゲート
18 コレクタ領域
19 ドリフト領域
22 裏面側金属板
23 表面側金属板
24 モールド材
34 チャンバ
36 スパッタ装置
100 ウェハ
131 Al−Si層
132 Al層
133 Ni層
134 はんだ層
135 合金層
140 ポリイミド層
221、231 リード
343 ステージ
361 バッキングプレート
362 ターゲット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor module 3 Main cell 5 Sense cell 10 Semiconductor device 11 Semiconductor substrate 12 Back surface electrode 13 Front surface electrode 14 Body region 15 Emitter region 16 Interlayer insulation film 17 Trench gate 18 Collector region 19 Drift region 22 Back surface side metal plate 23 Surface side metal plate 24 Mold material 34 Chamber 36 Sputtering apparatus 100 Wafer 131 Al-Si layer 132 Al layer 133 Ni layer 134 Solder layer 135 Alloy layer 140 Polyimide layers 221 and 231 Lead 343 Stage 361 Backing plate 362 Target

Claims (1)

半導体基板と、半導体基板の表面に積層されている表面電極とを備えた半導体装置の製造方法であって、
250℃以下の基板温度でスパッタ法を行って、半導体基板の表面にAl−Si層またはAl−Si−Cu層によって第1層を形成する第1工程と、
前記第1工程の後に、400℃以上の基板温度でスパッタ法を行って、前記第1層の表面にAl層またはAl−Cu層によって第2層を形成する第2工程と、
前記第2工程の後に、前記第2層よりも表面側にはんだ接合層である第3層を形成する第3工程と、
前記第3工程の後に、前記第3層よりも表面側にはんだ層である第4層を形成する第4工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a semiconductor substrate and a surface electrode laminated on the surface of the semiconductor substrate,
Performing a sputtering method at a substrate temperature of 250 ° C. or lower to form a first layer with an Al—Si layer or an Al—Si—Cu layer on the surface of the semiconductor substrate;
After the first step, a second step of performing a sputtering method at a substrate temperature of 400 ° C. or higher to form a second layer with an Al layer or an Al—Cu layer on the surface of the first layer;
After the second step, a third step of forming a third layer which is a solder joint layer on the surface side of the second layer;
And a fourth step of forming a fourth layer, which is a solder layer, on the surface side of the third layer after the third step.
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