JP6579989B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特にパワー半導体装置に関する。
電力制御を担うパワー半導体装置として、縦型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が一般に知られている。例えば縦型のMOSFETは、ソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極とを有している。ソース電極及びゲート電極は、基板の表面に形成されている。ドレイン電極は、基板の裏面に形成されている。縦型のMOSFETにおいては、ゲート電極に印加される信号をオンオフすることにより、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流がオンオフ制御される。
ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極は、モジュールとしての実装形態に合わせて各種の金属材料により形成されている。例えば、縦型のMOSFETをはんだ接合やナノ銀粒子等の焼結金属を用いた接合によりモジュール化する場合、アルミニウム(Al)系の材料により形成したソース電極、ゲート電極及びドレイン電極に、蒸着法や無電解めっき法によりニッケル(Ni)/金(Au)膜が形成される。
基板の表面側には、セル構造が形成される。そのため、基板の表面側は、段差の大きい構造を有している。他方、基板の裏面側にはセル構造が形成されない。そのため、基板の裏面側は平坦である。これに起因して、基板表面に形成されるソース電極及びゲート電極と、基板裏面に形成されるドレイン電極は、同じAl系の材料を用いて形成されたとしても、その最適な成膜条件は異なる。その結果、ソース電極及びゲート電極の膜質とドレイン電極の膜質は、異なったものとなる。
Al系の材料の表面に無電解Niめっきを行う場合、無電解Niめっきに先立って、Al系材料の表面に対して、ジンケート処理等の前処理が行われる。この前処理を裏面側に形成されるドレイン電極に合わせて最適化した場合、表面側に形成されるソース電極及びゲート電極に対するジンケート処理が不十分となる。その結果、無電解Niめっき膜の異常成長に伴う膜質や外観の不均一や無電解Niめっき膜の密着力不足が生じる。
他方、この前処理を表面側に形成されるソース電極及びゲート電極に合わせて最適化した場合、前処理の過程で裏面側に形成されるドレイン電極が過剰にエッチングされる。その結果、Al系材料で形成されたドレイン電極にAlの孔食が生じる。
このような問題に対処するために、例えば特許文献1(特許第5707709号公報)記載の構造が提案されている。特許文献1記載の半導体装置は、基板裏面側に形成されたAl電極と、基板表面側に形成されたAl電極とを有している。基板裏面側及び基板表面側のAl電極上には、Ni膜がスパッタリング法により形成されている。スパッタリング法により形成されたNi膜上には、無電解めっき法により形成されたNi膜が形成されている。
特許第5707709号公報
特許文献1記載の構造において、Al電極上にNi膜を形成するためには、スパッタリングによりNi膜を成膜したのち、そのスパッタリングにより形成したNi膜をエッチングによりパターンニングする必要がある。しかしながら、基板表面側にはセル構造が形成されているため、段差が大きい。そのため、スパッタリングにより形成したNi膜を残渣なくエッチングすることが困難である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、エッチング残渣を抑制しつつ、電極の孔食を防止することができる半導体装置を提供する。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、主表面と、主表面の反対側の面である裏面とを有している。主表面上には、第1の表面電極及び第2の表面電極が形成されている。裏面上には、裏面電極が形成されている。
第1の表面電極は、第1の層と、第1の層上に形成された第2の層と、第2の層上に形成された第3の層とを有している。第2の表面電極は、第4の層と、第4の層上に形成された第5の層とを有している。裏面電極は、第6の層と、第6の層上に形成された第7の層と、第7の層上に形成された第8の層とを有している。第2の層が第1の層上に形成され、第2の層上に第3の層が形成されている。第2の表面電極においては、第1の層上に第3の層が形成されている。第4の層は、第2の層及び第7の層と異なる材料を含有している。第3の層、第5の層及び第8の層は、同じ材料を含有する無電解めっき膜である。
本発明に係る半導体装置によると、エッチング残渣を抑制しつつ、電極の孔食を防止することができる。
第1の実施形態に係る半導体装置を用いたモジュールの断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の上面図である。 図2のIII−III断面における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置のソース電極周辺の全体構造を示す断面図である。 図2のV−V断面における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の裏面電極周辺における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の基板工程における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の電極下地形成工程における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の孔食防止層形成工程における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の第1の保護膜形成工程における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の無電解めっき膜成長工程における断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の第2の無電解めっき工程における断面図である。 比較例に係る半導体装置におけるドレイン電極周辺の断面構造の模式図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の上面図である。 図14のXV−XV断面における断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の第1の保護膜形成工程におけるソース電極周辺の断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の第2の保護膜形成工程におけるソース電極周辺の断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の上面図である。 図18のXIX−XIX断面における断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の第1の保護膜形成工程におけるソース電極周辺の断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の第3の保護膜形成工程におけるソース電極周辺の断面図である。
以下に、本発明の実施形態について図を参照して説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
(第1の実施形態)
以下に、第1の実施形態に係る半導体装置1を用いたモジュールの構造について説明する。
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置1を用いたモジュールの断面図である。図1に示すように、モジュールは、半導体装置1と、ベース板2と、引出電極3と、封止部材4とを有している。
半導体装置1は、例えば縦型のMOSFETである。但し、半導体装置1はこれに限られない。半導体装置1は、例えばトレンチゲート型のMOSFET、IGBTであってもよい。半導体装置1は、基板11を有している。基板11には、例えば単結晶のシリコン(Si)が用いられる。但し、基板11に用いられる材料はこれに限られない。基板11には、例えば炭化珪素(SiC)を用いることができる。基板11は、主表面11aと裏面11bとを有している。
裏面11bは、主表面11aの反対側の面である。基板11の主表面11a上には、第1の表面電極12及び第2の表面電極13が形成されている。基板11の裏面11b上には、裏面電極14が形成されている。後に詳述するように、第1の表面電極12は、第1の層12aと、第2の層12bと、第3の層12cとを有している。第2の表面電極13は、第4の層13aと、第5の層13bとを有している。裏面電極14は、第6の層14aと、第7の層14bと、第8の層14cとを有している。第1の実施形態に係る半導体装置1が縦型のMOSFETの場合、第1の層12aはソース電極である。第1の実施形態に係る半導体装置1が縦型のMOSFETの場合、第4の層13aはゲート電極である。第1の実施形態に係る半導体装置1が縦型のMOSFETの場合、第6の層14aはドレイン電極である。以下においては、縦型のMOSFETを第1の実施形態に係る半導体装置の例として説明する。
ベース板2は、主表面2a及び裏面2bとを有している。裏面2bは、主表面2aの反対側の面である。ベース板2の主表面2a上には、導体パターン21が形成されている。導体パターン21には、例えば銅(Cu)が用いられる。導体パターン21は、裏面電極14と接合されている。導体パターン21と裏面電極14の接合には、第1の接合部材22が用いられる。第1の接合部材22は、例えばはんだである。
引出電極3には、例えばCuが用いられている。引出電極3は、第1の引出電極31と、第2の引出電極32と、第3の引出電極33とを有している。第1の引出電極31、第2の引出電極32及び第3の引出電極33の一方端は、封止部材4から外部に突出している。
第1の引出電極31の他方端は、第1の表面電極12に接合されている。第1の表面電極12と第1の引出電極31の接合には、第2の接合部材34が用いられている。第2の接合部材34は、例えばはんだである。
第2の引出電極32の他方端は、導体パターン21に接合されている。これにより、第2の引出電極32は、裏面電極14と電気的に接続されている。導体パターン21と第2の引出電極32の接合には、第3の接合部材35が用いられている。第3の接合部材35は、例えばはんだである。
第3の引出電極33の他方端は、第2の表面電極13と接合されている。第2の表面電極13と第3の引出電極33の接合には、第4の接合部材36が用いられている。第4の接合部材36は、例えば、ボンディングワイヤである。ボンディングワイヤに用いられる材料は、Al、Cu、Au等である。
封止部材4は、半導体装置1、ベース板2及び引出電極3を封止している。封止部材4には、エポキシ樹脂等が用いられる。これにより、第1の表面電極12、第2の表面電極13及び裏面電極14の間の電気的絶縁が確保される。また、これにより、半導体装置1が水分、衝撃等から保護される。
以下に、第1の実施形態に係る半導体装置1の構造について説明する。
図2は、第1の実施形態に係る半導体装置1の主表面11a側の上面図である。図2に示すように、主表面11a側の最外表面には、第1の保護膜15aが形成されている。第1の保護膜15aには、例えばポリイミドが用いられる。
第1の保護膜15aは、第1の開口15bと第2の開口15cとを有している。第1の開口15bからは、第1の表面電極12が露出している。第2の開口15cからは、第2の表面電極13が露出している。第1の表面電極12には、第2の表面電極13と比較して大きな電流が流れる。そのため、第1の表面電極12は、第2の表面電極13よりも面積が大きくなっていることが好ましい。
図3は、図2のIII−III断面領域におけるセル構造部の断面図である。図3は、第1の表面電極12が形成されている領域における断面に対応している。図3に示すように、基板11は、基板領域11cと、エピタキシャル領域11dと、ボディ領域11eと、ソース領域11fとを有している。
基板領域11cは、裏面11bに接して(図6参照)形成されている。エピタキシャル領域11dは、基板領域11c上に形成されている。基板領域11c及びエピタキシャル領域11dは、例えばn型の導電型を有している。なお、半導体装置1がIGBTである場合、基板領域11cはp型の導電型を有している。基板領域11cの不純物濃度は、エピタキシャル領域11dの不純物濃度よりも高いことが好ましい。これにより、半導体装置1の耐圧を確保することができる。
ボディ領域11eは、エピタキシャル領域11d中において、主表面11aに接して形成されている。ボディ領域11eは、例えばp型の導電型を有している。ソース領域11fは、ボディ領域11e中において主表面11aに接して形成されている。ソース領域11fは、互いに間隔をあけて複数配置されている。ソース領域11fは、例えばn型の導電型を有している。なお、半導体装置1がIGBTである場合、ソース領域11fはコレクタ領域となる。
基板11の主表面11a上には、ゲート絶縁膜16が形成されている。ゲート絶縁膜16には、例えば二酸化珪素(SiO2)が用いられる。ゲート絶縁膜中であって、ソース領域11f上には、開口16aが形成されている。開口16aからは、ソース領域11fが露出している。
ゲート絶縁膜16上には、ゲート19が形成されている。ゲート19は、ソース領域11fの間に位置している。ゲート19には、例えば不純物が導入された多結晶Siが用いられる。なお、ゲート19は、図5に示されているゲートパッド17と接続している。ゲートパッド17は、ゲート19と第2の表面電極13(より具体的には、ゲート電極である第4の層13a)との接続箇所である。
ゲート絶縁膜16及びゲート19上には、層間絶縁膜18が形成されている。層間絶縁膜18には、例えばSiO2が用いられる。層間絶縁膜18中であって、ソース領域11f上には、第1のコンタクトホール18aが形成されている。第1のコンタクトホール18a及び開口16aを介して、ソース領域11fが露出している。
ソース領域11f上及び層間絶縁膜18上に、第1の表面電極12が形成されている。第1の表面電極12は、第1の層12aと、第2の層12bと、第3の12cとを有している。第1の表面電極12は、さらに第9の層12dを有していてもよい。第1の表面電極12は、バリア層12eをさらに有していてもよい。第1の表面電極12は、さらに中間層を有していてもよい。なお、第1の実施形態に係る半導体装置1がIBGTである場合、第1の層12aはコレクタ電極となる。
ソース領域11f上には、第1の層12aが形成されている。第1の層12aは、例えばAl系合金を含有するスパッタ膜である。好ましくは、第1の層12aは、例えば95質量パーセント以上のAlを含有している層である。第1の層12aには、好ましくはSiが添加されていてもよい。
ソース領域11fと第1の層12aの間に、バリア層12eが形成されていてもよい。バリア層12eには、例えばチタン(Ti)、窒化チタン(TiN)又はこれらの複合膜等が用いられる。バリア層12eにより、ソース領域11fと第1の表面電極12の間の拡散及び層間絶縁膜18と第1の表面電極12の間の拡散が抑制されている。
第1の層12a上には、第2の層12bが形成されている。第2の層12bは、例えばNiを含有するスパッタ膜である。
図4は、第1の表面電極12周辺の全体構造を示す断面図であり、図3に示したセル構造部を含む素子幅全体の断面図である。図4に示すように、第1の層12a上には、第2の層12bの周囲に、第2の層12bが形成されていない領域があってもよい。第1の層12a上の第2の層12bが形成されていない領域上には、第1の保護膜15aが形成されていてもよい。第2の層12bは、周縁において、膜厚が中央においてよりも薄くなる場合がある。そのため、第2の層12bの周縁上には、第1の保護膜15aが形成されていてもよい。
第1の層12aと第2の層12bの間に、中間層が形成されていてもよい。中間層は、例えばTi、Ta、W、Cr、TiN又はこれらの複合膜である。中間層により、第1の層12aと第2の層12bの密着性が向上する。
図3に示すように、第2の層12b上には、第3の層12cが形成されている。第3の層12cは、無電解めっき膜である。第3の層12cは、例えば無電解Niめっきの層である。第3の層12c上には、第9の層12dが形成されている。第9の層12dは、例えば無電解Auめっき層である。
図5は、図2のV−V断面における断面図である。図5は、第2の表面電極13が形成されている領域における断面に対応している。図5に示すように、基板11は、基板領域11cと、エピタキシャル領域11dとを有している。
基板11の主表面11aには、ゲート絶縁膜16が形成されている。ゲート絶縁膜16上には、ゲートパッド17が形成されている。ゲートパッド17には、例えば不純物が導入された多結晶Siが用いられる。ゲート絶縁膜16及びゲートパッド17上には、層間絶縁膜18が形成されている。層間絶縁膜18中には、ゲートパッド17上において、第2のコンタクトホール18bが形成されている。層間絶縁膜18上には、第1の保護膜15aが形成されている。
第2の開口15c及び第2のコンタクトホール18b中であって、ゲートパッド17上には、第2の表面電極13が形成されている。第2の表面電極13は、第4の層13aと、第5の層13bとを有している。第2の表面電極13は、第10の層13cを有していてもよい。ゲートパッド17上には、第4の層13aが形成されている。第4の層13a上には、第5の層13bが形成されている。第5の層13b上には、第10の層13cが形成されていてもよい。
第4の層13aは、第2の層12b及び第7の層14bと異なる材料を含有している。第4の層13aは、好ましくは第1の層12a及び第6の層14aと同じ材料を含有している。第4の層13aは、例えばAl系合金である。好ましくは、第4の層13aは、95質量パーセント以上のAlを含有している層である。第4の層13aは、好ましくはSiが添加されていてもよい。第5の層13bは、第3の層12c及び第8の層14cと同じ材料を含有する無電解めっき膜である。例えば無電解Niめっきの層である。第10の層13cは、例えば無電解Auめっき層である。
図6は、裏面電極14周辺の構造を拡大した断面図である。図6に示すように、基板11の裏面11b側には、裏面電極14が形成されている。裏面電極14は、第6の層14aと、第7の層14bと、第8の層14cとを有している。裏面電極14は、さらに第11の層14dを有していてもよい。裏面電極14は、さらに中間層を有していてもよい。なお、半導体装置1がIGBTである場合、第6の層14aはエミッタ電極となっている。
基板領域11cの裏面11b側は、ドレイン領域となっている。なお、半導体装置1がIGBTである場合、基板領域11cはエミッタ領域となっている。基板領域11cの裏面11b側に接して、第6の層14aが形成されている。第6の層14aは、基板11がSiを用いて形成されている場合、例えば95質量パーセント以上のAlを含有している層である。この場合、第4の層13aには、好ましくはSiが添加されていてもよい。基板11がSiCを用いて形成されている場合、第6の層14aは、例えばニッケルシリサイド(NiSi)である。
第6の層14a上には、中間層が形成されている。中間層は、例えばチタン、TiN又はこれらの複合膜である。中間層により、第6の層14aと第7の層14bの密着性が向上する。
第6の層14a上には、第7の層14bが形成されている。第7の層14bは、例えばNiを含有するスパッタ膜である。第7の層14b上には、第8の層14cが形成されている。第8の層14cは、無電解めっき膜である。第8の層14cは、例えば無電解Niめっき膜である。第8の層14c上には、第11の層14dが形成されていてもよい。第11の層14dは、例えば無電解Auめっき層である。
以下に、第1の実施形態に係る半導体装置1の製造工程について説明する。
第1の実施形態に係る半導体装置1の製造工程は、基板工程S1と、電極下地形成工程S2と、孔食防止層形成工程S3と、第1の無電解めっき工程S4とを有する。
図7は、第1の実施形態に係る半導体装置1の基板工程S1における断面図である。図7(A)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12が形成される領域での断面に対応している。図7(B)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の表面電極13が形成される領域での断面に対応している。図7(C)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の裏面電極14周辺の断面に対応している。
図7(A)ないし(B)に示すように、基板工程S1においては、基板11と、ゲート絶縁膜16と、ゲートパッド17及びゲート19と、層間絶縁膜18とが形成される。基板11、ゲート絶縁膜16、ゲートパッド17、ゲート19及び層間絶縁膜18の形成は、一般的な方法により形成される。
図8は、第1の実施形態に係る半導体装置1の電極下地形成工程S2における断面図である。図8(A)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12が形成される領域での断面に対応している。図8(B)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の表面電極13が形成される領域での断面に対応している。図8(C)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の裏面電極14周辺の断面に対応している。
図8(A)に示すように、電極下地形成工程S2においては、基板11の主表面11a上の第1の表面電極12が形成される領域に、第1の層12aが形成される。すなわち、電極下地形成工程S2においては、層間絶縁膜18及びソース領域11f上に、第1の層12aが形成される。第1の層12aは、成膜工程S21とパターンニング工程S22とにより形成される。
成膜工程S21は、例えばAlを含有する金属材料を、1ないし10μm程度の厚さとなるまでスパッタリングすることにより行われる。
第1の表面電極12が形成される領域においては、ソース領域11fと層間絶縁膜の間に段差がある。この段差に対するスパッタリング膜の埋込性を改善するため、スパッタリング後に熱処理を行ってもよい。この熱処理は、例えば350℃ないし500℃で行われる。また、この段差は、スパッタリング前に、タングステン(W)等を埋め込むことにより、平坦化してもよい。
パターンニング工程S22においては、まず、成膜されたスパッタリング膜上にフォトレジストが塗布される。このフォトレジストは、例えばポジ型である。塗布されるフォトレジストの膜厚は、スパッタリング膜の段差を考慮して、3μmないし15μmであることが好ましい。
次に、塗布されたフォトレジストに対して露光が行われる。露光は、スパッタリング膜をエッチングにより除去すべき領域に対して行われる。露光されていない部分のフォトレジストは、露光後に除去される。その後、残存したフォトレジストをマスクとして、スパッタリング膜のエッチングが行われる。このエッチングは、例えば硫酸、酢酸等を含む混酸を用いて行われる。スパッタリング膜にSiが含まれている場合、Siの残渣を除去するために、トリフルオロメタン(CHF3)等を用いたドライエッチングがさらに行われてもよい。
図8(B)に示すように、電極下地形成工程S2においては、基板11の主表面11a上の第2の表面電極13が形成される領域に、第4の層13aが形成される。すなわち、電極下地形成工程S2においては、ゲートパッド17上に、第4の層13aが形成される。第4の層13aの形成は、第1の層12aの形成と同様の方法により行われる。第4の層13aの形成は、第1の層12aの形成と同時に行われることが好ましい。
図8(C)に示すように、電極下地形成工程S2においては、基板11の裏面11b上の裏面電極14が形成される領域に、第6の層14aが形成される。すなわち、電極下地形成工程S2においては、基板領域11cの裏面11b側のドレイン領域上に、第6の層14aが形成される。
第6の層14aの形成は、基板11にSiが用いられている場合には、例えば、Alを含有する金属材料をドレイン領域上にスパッタリングすることにより行われる。基板11にSiCが用いられている場合、まず、例えば、Ni、Alをドレイン領域上にスパッタリングする。その後、熱処理を行うことによりNi、Alのスパッタリング膜と基板11をシリサイド化反応させることにより、第6の層14aが形成される。
図9は、第1の実施形態に係る半導体装置1の孔食防止層形成工程S3における断面図である。図9(A)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12が形成される領域での断面に対応している。図9(B)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の裏面電極14周辺の断面に対応している。なお、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の表面電極13が形成される領域は、孔食防止層形成工程S3においては構造に変化がないため、図示は省略している。
孔食防止層形成工程S3においては、図9(A)に示すように、第1の層12a上に、第2の層12bが形成される。なお、第1の層12a上には、第2の層12bの周囲に、第2の層12bが形成されていない領域があってもよい。第2の層12bは、好ましくは100nm以上1000nm以下の厚さに形成される。
第2の層12bは、好ましくはマスクスパッタ法又はリフトオフ法により形成される。なお、マスクスパッタ法とは、第2の層12bを形成する領域に対応する開口を有するマスクを用いて、スパッタリングを行う方法である。また、リフトオフ法とは、第2の層12bを形成する領域に開口を有するレジストをマスクとしてスパッタリングを行うとともに、スパッタリング後にマスクを除去する方法である。
孔食防止層形成工程S3においては、図9(B)に示すように、第6の層14a上に、第7の層14bが形成される。第7の層14bは、例えばNiをスパッタリングすることにより形成される。
第1の無電解めっき工程S4は、第1の保護膜形成工程S41と、前処理工程S42と、無電解めっき膜成長工程S43とを有している。
図10は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の保護膜形成工程S41における断面図である。図10(A)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12が形成される領域での断面に対応している。図10(B)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の表面電極13が形成される領域での断面に対応している。なお、第1の実施形態に係る半導体装置1の裏面電極14が形成される領域には第1の保護膜15aが形成されないため、図示は省略している。
第1の保護膜形成工程S41においては、図10(A)及び図10(B)に示すように、層間絶縁膜18上に第1の保護膜15aが形成される。第1の保護膜15aの形成においては、層間絶縁膜18上に例えばポリイミドがディスペンスされる。ポリイミドは、第1の開口15b及び第2の開口15cとなる箇所にはディスペンスされない。
ポリイミドは、第3の層12c及び第5の層13bと同等以上の厚さとなるようにディスペンスされることが好ましい。具体的には、ポリイミドは5μmないし15μm程度の厚さとなるようにディスペンスされることが好ましい。ポリイミドがディスペンスされた後には、熱処理が行われる。これにより、ポリイミドが硬化し、第1の保護膜15aが形成される。
第1の保護膜15aの形成方法は、これに限られるものではない。例えば、感光性を有するポリイミドを全面塗布するとともに、塗布された感光性のポリイミドに対してフォトリソグラフィーを行うことにより、第1の開口15b及び第2の開口15cを有するようにパターンニングしてもよい。
第1の層12a上の第2の層12bが形成されていない領域には、第1の保護膜15aが形成されていてもよい。第2の層12bは、周縁において、中央においてよりも膜厚が薄くなる傾向にある。そのため、好ましくは、第1の保護膜15aは、第2の層12bの周縁上にも形成されていてもよい。
前処理工程S42においては、第1の酸化膜除去処理工程S421と、ジンケート処理工程S422とが行われる。前処理工程S42おいては、例えば第1の酸化膜除去処理工程S421が行われた後に、ジンケート処理工程S422が行われる。なお、第1の酸化膜除去処理工程S421は、後述するジンケート処理S4223に先立ち行われていればよい。
この前処理工程S42を行うことにより、例えばNiを含有するスパッタ膜である第2の層12b及び第7の層14bと、Alを含有する第4の層13aの双方の上に、Niを含有する無電解めっき膜である第3の層12c、第5の層13b及び第8の層14cを成長させることが可能となる。
第1の酸化膜除去処理工程S421においては、例えばNiを含有するスパッタ膜である第2の層12b及び第7の層14bの表面の酸化膜が除去される。
ジンケート処理工程S422においては、脱脂処理S4221と、第2の酸化膜除去処理S4222と、ジンケート処理S4223が行われる。脱脂処理S4221により、第4の層13a表面に付着している油脂が除去される。脱脂処理S4221が行われた後、第2の酸化膜除去処理S4222が行われる。これにより、第4の層13a表面の酸化膜が除去される。
第2の酸化膜除去処理S4222が行われた後に、ジンケート処理S4223が行われる。ジンケート処理S4223により、第4の層13aの表面が亜鉛(Zn)により置換される。なお、脱脂処理S4221と、第2の酸化膜除去処理S4222と、ジンケート処理S4223とは、複数回繰り返してもよい。
図11は、第1の実施形態に係る半導体装置1の無電解めっき膜成長工程S43における断面図である。図11(A)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12が形成される領域での断面に対応している。図11(B)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の表面電極13が形成される領域での断面に対応している。図11(C)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の裏面電極14周辺の断面に対応している。
無電解めっき膜成長工程S43においては、図11(A)ないし(C)に示すように、第2の層12b、第4の層13a及び第7の層14b上に、第3の層12c、第5の層13b及び第8の層14cがそれぞれ形成される。無電解めっき膜成長工程S43においては、例えばNiの無電解めっきが行われる。
なお、第1の無電解めっき工程S4の後に、第2の無電解めっき工程S5がさらに行われてもよい。図12は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の無電解めっき工程S5における断面図である。図12(A)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12が形成される領域での断面に対応している。図12(B)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の第2の表面電極13が形成される領域での断面に対応している。図12(C)は、第1の実施形態に係る半導体装置1の裏面電極14周辺の断面に対応している。
第2の無電解めっき工程S5においては、図12(A)ないし図12(C)に示すように、第3の層12c、第5の層13b及び第8の層14c上に、例えばAuを含有する第9の層12d、第10の層13c及び第11の層14dがそれぞれ形成される。第9の層12d、第10の層13c及び第11の層14dの形成は、例えば一般的な無電解Auめっき法により行われる。
以下に、第1の実施形態に係る半導体装置の効果について説明する。
比較例に係る半導体装置においては、第1の表面電極12の第1の層12a、第2の表面電極13の第4の層13a及び裏面電極14の第6の層14a上に、直接、第1の表面電極12の第3の層12c、第2の表面電極13の第5の層13b及び裏面電極14の第8の層14cが形成されている。
図13は、比較例に係る半導体装置における裏面電極14周辺の断面構造の模式図である。図13に示すように、比較例に係る半導体装置においては、裏面電極14の第6の層14aに孔食Vが発生している。
第1の表面電極12の第1の層12a及び第2の表面電極13の第4の層13aと、裏面電極14の第6の層14aは、同一の材料で形成されたとしても、膜質が異なっている。そのため、第1の表面電極12の第1の層12a及び第2の表面電極13の第4の層13aの膜質に合わせてNiを含有する無電解めっき膜の形成条件を最適化すると、裏面電極14の第6の層14aが過剰にエッチングされてしまうからである。
パワー半導体装置は、実使用時に高温となる。そのため、このような孔食Vが発生した場合、孔食Vから水分起因のアウトガスが発生してしまう。
他方、第1の表面電極12の第1の層12a及び裏面電極14の第7の層14b上のみならず、第2の表面電極13の第4の層13a上にもNiを含有するスパッタ膜を形成する場合において、高段差を有する第1の表面電極12の第1の層12a上で、全面にNiをスパッタリングより成膜してフォトリソグラフィによるレジストマスクを用いてNiのパターンをエッチングにより形成する場合、Niの残渣が発生してしまう。
第1の実施形態に係る半導体装置1は、第1の表面電極12の第1の層12a及び裏面電極14の第7の層14b上にはNiを含有するスパッタ膜が形成されているが、第2の表面電極13の第4の層13a上にはNiを含有するスパッタ膜が形成されていない。そのため、ジンケート処理するAl表面の結晶性が1種類だけであるため、この表面に最適化したジンケート処理が可能となり、第1の実施形態に係る半導体装置1は、Alの孔食Vの発生が抑制できる。また、Ni膜をフォトリソグラフィによるレジストマスクを用いてパターン形成していないため、Ni残渣の発生も抑制することができる。なお、図示していないが、第1の実施形態に係る半導体装置1の表面に温度測定のためのダイオード回路を形成する場合があるが、ダイオードのカソード電極表面にイオン化傾向の高い金属(例えば、Al)とし、アノード電極表面にイオン化傾向の低い金属(例えば、Ni)とすると、Al電極上に形成したZn薄膜の溶出時に放出される電子がAl電極表面でNiイオンに提供されず、ダイオード回路を通してカソード電極に移動し、カソード電極上でNiイオンに電子を供給し、Niが析出することがある。そのため、ダイオードを含む回路のカソード電極及びアノード電極は、同一材料とする必要がある。
(第2の実施形態)
以下に、第2の実施形態について図を参照して説明する。なお、ここでは、第1の実施形態と異なる点について主に説明する。
以下に、第2の実施形態に係る半導体装置1の構造について説明する。
図14は、第2の実施形態に係る半導体装置1の上面図である。図14に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置1は、第1の実施形態に係る半導体装置1と同様に、主表面11a側の最外表面に、第1の開口15bと第2の開口15cとを有する第1の保護膜15aが形成されている。
しかしながら、第2の実施形態に係る半導体装置1は、第1の開口15bの内側にも第2の保護膜15dが形成されている点において、第1の実施形態に係る半導体装置1と異なっている。
図15は、図14のXV−XV断面における断面図である。図15に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12は、第1の層12aと、第2の層12bと、第3の層12cと、第9の層12dとを有している。
第1の層12aは、ソース領域11f上に形成されている。第1の層12aとソース領域11fとの間には、バリア層12eが形成されていてもよい。第1の層12a上には、第2の層12bが形成されている。但し、第1の層12a上には、第2の層12bの周囲に、第2の層12bが形成されていない領域がある。第2の層12bと第1の層12aの間には、中間層が形成されていてもよい。
第2の層12b上には、第3の層12cが形成されている。また、第1の層12a上の第2の層12bが形成されていない領域上にも、第3の層12cが形成されている。第2の層12bの周縁は、第1の実施形態に係る半導体装置1と異なり、第1の保護膜15aにより被覆されていない。第3の層12c上には、第9の層12dが形成されている。
第9の層12d上に、第2の保護膜15dが形成されている。第2の保護膜15dは、第1の層12a上の第2の層12bが形成されていない領域の上方に形成されている。第9の層12d上に形成された第2の保護膜15dは、第3の開口15eを有している。
第2の保護膜15dには、例えばポリイミドが用いられる。第2の保護膜15dは、3μm以上の厚さを有していればよい。第2の保護膜15dは、50μm以上の厚さを有していてもよい。好ましくは、第2の保護膜15dは、5μm以上10μm以下の厚さを有している。第3の開口15eは、はんだが漏れない程度の幅を有している。具体的には、第3の開口15eは、100μm以上の幅を有していることが好ましい。
第1の表面電極12は、第3の開口15eにおいて、例えばはんだにより、第1の引出電極31と接合される。第3の開口15eが設けられる領域は、平面視において、第2の層12bが形成される領域に対応している。
以下に、第2の実施形態に係る半導体装置1の製造工程について説明する。
第2の実施形態に係る半導体装置1の製造工程は、第1の実施形態と同様に、基板工程S1と、電極下地形成工程S2と、第1の無電解めっき工程S4と、第2の無電解めっき工程S5とを有している。第2の実施形態に係る半導体装置1の製造工程は、基板工程S1、電極下地形成工程S2、孔食防止層形成工程S3及び第2の無電解めっき工程S5が、第1の実施形態と同様である。
第2の実施形態に係る半導体装置1の製造工程における第1の無電解めっき工程S4は、第1の保護膜形成工程S41を除き、第1の実施形態に係る半導体装置1の製造工程と同様である。図16は、第2の実施形態に係る半導体装置1の第1の保護膜形成工程S41における第1の表面電極12周辺の断面図である。図16に示すように、第2の実施形態における第1の保護膜形成工程S41においては、第1の保護膜15aは、第2の層12b上には形成されない。
第2の実施形態に係る半導体装置1の製造工程は、第2の保護膜形成工程S6をさらに有している。図17は、第2の実施形態に係る半導体装置1の第2の保護膜形成工程S6における第1の表面電極12周辺の断面図である。第2の保護膜形成工程S6においては、図17に示すように、第9の層12d上に第2の保護膜15dが形成される。
第2の保護膜形成工程S6においては、ポリイミドは第1の層12a上の第2の層12bが形成されない領域の上方にディスペンスされる。他方、第2の保護膜形成工程S6においては、ポリイミドは第3の開口15eとなる部分にディスペンスされない。
その後、ディスペンスされたポリイミドが、熱処理により硬化される。なお、第2の保護膜15dの形成方法はこれに限られるものではない。例えば、第2の保護膜15dは、ポリイミドを第9の層12d上に全面塗布するとともに、露光及びエッチングにより第3の開口15eとなる部分を除去することで形成してもよい。
以下に、第2の実施形態に係る半導体装置1の効果について説明する。
第1の引出電極31と第1の表面電極12の接合部の信頼性を確保するためには、第1の層12aに対する孔食Vの発生が、この接合部直下の領域において抑制されていればよい。また、第2の層12bが形成されていない領域において第1の引出電極31と第1の表面電極12が接合されていると、第2の層12bが形成されていない領域下の第1の層12aに過大な熱応力が生じる。
しかしながら、第2の実施形態に係る半導体装置1においては、第2の保護膜15dが形成されることにより、第2の層12bが形成されていない領域において第1の引出電極31と第1の表面電極12が接合されない。そのため、第2の実施形態に係る半導体装置1においても、第1の実施形態に係る半導体装置1と同様の接合部の信頼性を確保することができる。
(第3の実施形態)
以下に、第3の実施形態について図を参照して説明する。なお、ここでは、第1の実施形態と異なる点について主に説明する。
図18は、第3の実施形態に係る半導体装置1の上面図である。図18に示すように、第3の実施形態に係る半導体装置1は、第1の実施形態に係る半導体装置1と同様に、主表面11a側の最外表面に、第1の開口15bと第2の開口15cとを有する第1の保護膜15aが形成されている。しかし、第3の実施形態に係る半導体装置1は、第1の開口15bの内側にも第3の保護膜15fが形成されている点において、第1の実施形態に係る半導体装置1と異なっている。
図19は、図18のXIX−XIX断面における断面図である。図19に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置1の第1の表面電極12は、第1の層12aと、第2の層12bと、第3の層12cと、第9の層12dとを有している。
第1の層12aは、ソース領域11f上に形成されている。第1の層12aとソース領域11fとの間には、バリア層12eが形成されていてもよい。第1の層12a上には、第2の層12bが形成されている。但し、第1の層12a上には、第2の層12bの周囲に、第2の層12bが形成されていない領域がある。第2の層12bと第1の層12aの間には、中間層が形成されていてもよい。
第1の層12a上の第2の層12bが形成されている領域には、第3の保護膜15fが形成されている。第3の保護膜15fは、第4の開口15gを有している。第3の保護膜15fには、例えばポリイミドが用いられる。第3の保護膜15fは、3μm以上の厚さを有していればよい。第3の保護膜15fは、50μm以上の厚さを有していてもよい。好ましくは、第3の保護膜15fの厚さは、5μm以上10μm以下である。第4の開口15gは、はんだが漏れない程度の幅を有している。具体的には、第4の開口15gは、100μm以上の幅を有していることが好ましい。第1の表面電極12は、第4の開口15gにおいて、例えばはんだにより、第1の引出電極31と接合される。第4の開口15gが設けられる領域は、平面視において、第2の層12bが形成される領域に対応している。
第4の開口15gが設けられている領域の内側では、第2の層12b上に、第3の層12cが形成されている。第3の層12c上には、第9の層12dが形成されている。
以下に、第3の実施形態に係る半導体装置1の製造工程について説明する。
第3の実施形態に係る半導体装置1の製造工程は、第1の実施形態と同様に、基板工程S1と、電極下地形成工程S2と、第1の無電解めっき工程S4と、第2の無電解めっき工程S5とを有している。第3の実施形態に係る半導体装置1の製造工程は、基板工程S1、電極下地形成工程S2、孔食防止層形成工程S3及び第2の無電解めっき工程S5が、第1の実施形態と同様である。
第3の実施形態に係る半導体装置1の製造工程における第1の無電解めっき工程S4は、第1の保護膜形成工程S41を除き、第1の実施形態に係る半導体装置1の製造工程と同様である。図20は、第3の実施形態に係る半導体装置1の第1の保護膜形成工程S41における第1の表面電極12周辺の断面図である。図20に示すように、第3の実施形態における第1の保護膜形成工程S41においては、第1の保護膜15aは、第2の層12b上には形成されない。
第3の実施形態に係る半導体装置1の第1の無電解めっき工程S4は、第3の保護膜形成工程S44をさらに有している。第3の保護膜形成工程S44においては、第3の保護膜15fが形成される。図21は、第3の実施形態に係る半導体装置1の第3の保護膜形成工程S44における第1の表面電極12周辺の断面図である。第3の保護膜形成工程S44においては、図20に示すように、第1の層12a上であって、第2の層12bの周囲に第3の保護膜15fが形成される。
第3の保護膜形成工程S44においては、ポリイミドは、第1の層12a上の第2の層12bが形成されない領域にディスペンスされる。第3の保護膜形成工程S44においては、ポリイミドは、第4の開口15gとなる部分にはディスペンスされない。その後、ディスペンスされたポリイミドが、熱処理により硬化される。
なお、第3の保護膜15fの形成方法はこれに限られるものではない。例えば、第3の保護膜15fは、ポリイミドを第1の層12a及び第2の層12b上に全面塗布するとともに、露光及びエッチングにより第4の開口15gとなる部分を除去することで形成してもよい。
以下に、第3の実施形態に係る半導体装置1の効果について説明する。
第1の引出電極31と第1の表面電極12の接合部の信頼性を確保するためには、第1の層12aに対する孔食Vの発生が、この接合部直下の領域において抑制されていればよい。また、第2の層12bが形成されていない領域において第1の引出電極31と第1の表面電極12が接合されていると、第2の層12bが形成されていない領域下の第1の層12aに過大な熱応力が生じる。
しかしながら、第3の実施形態に係る半導体装置1においては、第3の保護膜15fが形成されることにより、第2の層12bが形成されていない領域において第1の引出電極31と第1の表面電極12が接合されない。そのため、第3の実施形態に係る半導体装置1においても、第1の実施形態に係る半導体装置1と同様の接合部の信頼性を確保することができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 半導体装置、11 基板、11a 主表面、11b 裏面、11c 基板領域、11d エピタキシャル領域、11e ボディ領域、11f ソース領域、12 第1の表面電極、12a 第1の層、12b 第2の層、12c 第3の層、12d 第9の層、12e バリア層、13 第2の表面電極、13a 第4の層、13b 第5の層、13d 第10の層、14 裏面電極、14a 第6の層、14b 第7の層、14c 第8の層、14d 第11の層、15a 第1の保護膜、15b 第1の開口、15c 第2の開口、15d 第2の保護膜、15e 第3の開口、15f 第3の保護膜、15g 第4の開口、16 ゲート絶縁膜、16a 開口、17 ゲートパッド、18 層間絶縁膜、18a 第1のコンタクトホール、18b 第2のコンタクトホール、19 ゲート、2 ベース板、2a 主表面、2b 裏面、21 導体パターン、22 第1の接合部材、3 引出電極、31 第1の引出電極、32 第2の引出電極、33 第3の引出電極、34 第2の接合部材、35 第3の接合部材、36 第4の接合部材、4 封止部材、S1 基板工程、S2 電極下地形成工程、S3 孔食防止層形成工程、S4 第1の無電解めっき工程、S5 第2の無電解めっき工程、S6 第2の保護膜形成工程、S21 成膜工程、S22 パターンニング工程、S41 第1の保護膜形成工程、S42 前処理工程、S43 無電解めっき膜成長工程、S44 第3の保護膜形成工程、S421 第1の酸化膜除去処理工程、S422 ジンケート処理工程、S4221 脱脂処理、S4222 第2の酸化膜除去処理、S4223 ジンケート処理、V 孔食。

Claims (13)

  1. 互いに間隔をあけて複数配置されたソース領域を含む主表面と、前記主表面の反対側の面である裏面とを有する基板と、
    前記ソース領域の間において前記主表面上に形成されたゲートと、
    前記主表面上に形成され、前記ゲートに接続されたゲートパッドと、
    前記ゲートを覆うように前記主表面上に形成され第1の層と、前記第1の層上に形成された第2の層と、前記第2の層上に形成された第3の層とを有する第1の表面電極と、
    前記ゲートパッド上に形成され第4の層と、前記第4の層上に形成された第5の層とを有する第2の表面電極と、
    前記裏面上に形成され、第6の層と、前記第6の層上に形成された第7の層と、前記第7の層上に形成された第8の層とを有する裏面電極とを備え、
    前記第4の層は、前記第2の層及び前記第7の層と異なる材料を含有しており、
    前記第3の層、前記第5の層及び前記第8の層は、同じ材料を含有する無電解めっき膜である、半導体装置。
  2. 前記第2の表面電極は、前記第1の表面電極よりも面積が小さい、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1の層、前記第4の層及び前記第6の層は、アルミニウムを含有するスパッタ膜であり、
    前記第2の層及び前記第7の層は、ニッケルを含有するスパッタ膜であり、
    前記第3の層、前記第5の層及び前記第8の層は、ニッケルを含有する無電解めっき膜である、請求項1〜2のいずれか1項に記載の半導体装置。
  4. 前記第1の表面電極において、前記第1の層上には、前記第2の層の周囲に前記第2の層が形成されていない領域があり、
    前記第1の表面電極は、前記第2の層が形成されていない領域の上方に形成された保護膜を有している、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記保護膜は、前記第1の層上に形成されている、請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記保護膜は、前記第2の層上に形成されている、請求項4記載の半導体装置。
  7. 前記保護膜は、前記第3の層上に形成されている、請求項4記載の半導体装置。
  8. 前記第1の表面電極は、前記第3の層上に、第9の層を有しており、
    前記第2の表面電極は、前記第6の層上に、第10の層を有しており、
    前記裏面電極は、前記第8の層上に、第11の層を有している、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記第9の層、前記第10の層及び前記第11の層は、金を含有する無電解めっき膜である、請求項8記載の半導体装置。
  10. 互いに間隔をあけて複数配置されたソース領域を含む主表面と前記主表面の反対側の面である裏面とを有する基板において、前記主表面上の第1の表面電極が形成される領域における前記ソース領域の間ゲートを形成するとともに、前記主表面上の第2の電極が形成される領域に前記ゲートに接続されたゲートパッドを形成する工程と、
    前記主表面上の前記第1の表面電極が形成される領域に前記ゲートを覆うように第1の層を形成する工程と、
    前記ゲートパッド上に、アルミニウムを含有する第4の層を形成する工程と、
    前記基板において、前記裏面上の裏面電極が形成される領域に、第6の層を形成する工程と、
    前記第1の層上にニッケルを含有する第2の層を形成する工程と、
    前記第6の層上にニッケルを含有する第7の層を形成する工程と、
    前記第2の層及び前記第7の層の表面の酸化物を除去する工程と、
    前記第4の層の表面の脱脂洗浄する工程と、
    前記第4の層の表面の酸化物を除去する工程と、
    前記第4の層の表面にジンケート処理を行う工程と、
    前記第2の層上にニッケルを含有する無電解めっき膜である第3の層を形成し、前記第4の層上にニッケルを含有する無電解めっき膜である第5の層を形成し、前記第7の層上にニッケルを含有する無電解めっき膜である第8の層を形成する工程とを備える、半導体装置の製造方法。
  11. 前記第4の層の表面の酸化物を除去する工程は、前記第2の層及び前記第7の層の表面の酸化物を除去する工程が行われた後に行われる、請求項10記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第2の層及び前記第7の層を形成する工程は、スパッタリングを行う工程を含む、請求項10〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記第2の層を形成する工程は、マスクスパッタリングを行う工程を含む、請求項12記載の半導体装置の製造方法。
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