半導体装置とその半導体装置のハンダ付け方法
【課題】裏面電極の最外層に金層を配置しないことで低コストとすることができ、かつ、裏面電極の最外層に金層を配置しなくても良好にハンダ付けすることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体層装置は、半導体基板の裏面に裏面電極が配置されている半導体装置であって、裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層４と、第１金属層４の裏面に積層された第２金属層５と、第２金属層５の裏面に積層された第３金属層６と、第３金属層６の裏面に積層された第４金属層７を有している。第１金属層４は、アルミニウムを含んでおり、第２金属層５は、チタンを含んでおり、第３金属層６は、ニッケルを含んでおり、第４金属層７は、銅、錫、又はチタンを含んでいる。
【解決手段】本発明の半導体層装置は、半導体基板の裏面に裏面電極が配置されている半導体装置であって、裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層４と、第１金属層４の裏面に積層された第２金属層５と、第２金属層５の裏面に積層された第３金属層６と、第３金属層６の裏面に積層された第４金属層７を有している。第１金属層４は、アルミニウムを含んでおり、第２金属層５は、チタンを含んでおり、第３金属層６は、ニッケルを含んでおり、第４金属層７は、銅、錫、又はチタンを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の裏面に複数の金属層を積層した裏面電極を備えている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのパワー半導体装置では、裏面電極として複数の金属層を積層した積層電極が用いられている。この種の半導体装置を基板上に実装する方法としては、ハンダ付けによる方法が知られている。ハンダ付けによって半導体装置を基板上に実装するには、ハンダと裏面電極との濡れ性が良好である必要がある。このため、従来の半導体装置では、裏面電極を構成する複数の金属層の一つにハンダとの濡れ性に優れたニッケル層が用いられている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３５４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ニッケル層を裏面電極の最外層とすると、ニッケル層が酸化し、ハンダとの濡れ性が低下する。このため、上記特許文献１の技術では、ニッケル層の裏面に金層が積層されている。ニッケル層の裏面に金層を積層することによって、ニッケル層が酸化されることが防止され、ハンダと裏面電極との濡れ性を確保している。しかしながら、上記の特許文献１の技術では、ニッケル層の裏面に高価な金層を用いるため高コストになるという問題がある。
【０００５】
本発明は、裏面電極の最外層に金層を配置しないことで低コストとすることができ、かつ、裏面電極の最外層に金層を配置しなくても良好にハンダ付けすることができる半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、裏面電極の最外層に金層を形成しなくても、良好にハンダ接合することができる裏面電極の構造（最外層の金属層）について鋭意検討した。その結果、従来は裏面電極の最外層には不適切と考えられていた金属（金以外の金属）であっても、ハンダ付け時の加熱条件等を調整することで、良好にハンダ付けすることができるものがあるという知見を得た。
本発明の半導体層装置は、上記の新たな知見に基づいて創作されたものである。本発明の第１の半導体装置は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層された第３金属層と、第３金属層の裏面に積層された第４金属層を有している。第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、第２金属層は、チタンを含んでおり、第３金属層は、ニッケルを含んでおり、第４金属層は、銅、錫、チタンのいずれか１つを含んでいる。
この半導体装置では、第４金属層に金ではなく銅、錫、チタンのいずれか一つを用いているため、低コストで生産することができる。また、第３金属層（ニッケル層）の裏面に第４金属層（最外層）が積層されるため、第３金属層（ニッケル層）が露出することが防止され、第３金属層（ニッケル層）の酸化が防止される。また、第４金属層に銅、錫、チタンを用いても、ハンダ付け時の加熱条件を調整することで、半導体装置を良好にハンダ付けすることができる。
【０００７】
また、本発明の第２の半導体装置は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層され、裏面電極の最外層に位置する第３金属層を有している。そして、第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、第２金属層は、チタンを含んでおり、第３金属層は、ニッケルを含んでいる。
この半導体装置でも、金層を用いていないため、低コストで生産することができる。なお、第３金属層（ニッケル層）が裏面電極の最外層に形成されているため、第３金属層が酸化する可能性はある。しかしながら、後述するようにハンダ付け時の加熱条件を調整することで、ニッケル層の裏面（接合面）が酸化していても、半導体装置を良好にハンダ付けすることができる。
【０００８】
また、本発明は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も外側に位置する最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置を良好にハンダ付けする新規な方法を提供する。この方法では、最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱工程と、第１加熱工程で生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱工程と、を有する。
この方法では、第１加熱工程で最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とが反応して生成した合金が、第２加熱工程でハンダ中に拡散する。このため、半導体装置を良好にハンダ付けすることができる。
【０００９】
さらに、本発明は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も裏側の最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置と、その半導体装置がハンダ付けされる回路基板と、を備えた半導体装置を備えた装置を良好に製造する方法を提供する。この製造方法は、回路基板の実装面又は半導体装置の裏面電極上にハンダを配置する工程と、配置したハンダを溶融固化することで回路基板上に半導体装置を実装する工程と、を有している。そして、実装工程は、最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱ステップと、第１加熱ステップで生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱ステップと、を有している。
この製造方法では、半導体装置を回路基板にハンダ付けする際に、第１加熱ステップで裏面電極の最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とが反応して合金を生成し、第２加熱ステップでその合金がハンダ中に拡散する。このため、回路基板上に良好に半導体装置を実装することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体装置は、回路基板上に良好にハンダ付けすることができ、また、生産コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の半導体装置の断面図である。
【図２】ハンダ付け後の第１実施例の半導体装置と回路基板の断面図である。
【図３】スパッタリング装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】成膜装置の概略構成を示す模式図である。
【図５】第２実施例の半導体装置の断面図である。
【図６】ハンダ付け後の第２実施例の半導体装置と回路基板の断面図である。
【図７】第３実施例の半導体装置の断面図である。
【図８】ハンダ付け後の第３実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダと裏面電極の界面に偏在している状態を示している。
【図９】ハンダ付け後の第３実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダ層全体に拡散している状態を示している。
【図１０】ハンダ付け時の温度プロファイルを示すグラフである。
【図１１】第４実施例の半導体装置の断面図である。
【図１２】ハンダ付け後の第４実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダと裏面電極の界面に偏在している状態を示している。
【図１３】ハンダ付け後の第４実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダ層全体に拡散している状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記の実施例に記載されている技術の特徴を以下に列挙する。
（特徴１）ハンダには鉛が含まれていない（いわゆる鉛フリーハンダを使用している）。
（特徴２）半導体装置は、車載用半導体装置である。
（特徴３）半導体装置は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳ等のスイッチング素子である。
【実施例１】
【００１３】
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。図１は、第１実施例の半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、半導体基板１、裏面電極２、表面電極３によって構成されている。裏面電極２は、半導体基板１の裏面側から、アルミニウム含有(Ａｌ−Ｓｉ)層４、チタン（Ｔｉ）層５、ニッケル（Ｎｉ）層６、銅（Ｃｕ）層７が順に積層されている。Ａｌ−Ｓｉ層４は、半導体基板１との接触性を向上させるために用いられている。Ｔｉ層５は、バリアメタルとして用いられている。Ｎｉ層６は、ハンダ付けする場合に、濡れ性を維持するために用いられている。Ｃｕ層７は、ニッケル酸化防止層として用いられている。Ａｌ−Ｓｉ層４は、本実施例のように、Ａｌ合金（アルミニウム−シリコン合金）を用いてもよいが、高純度Ａｌを用いてもよい。アルミニウム−シリコン合金を用いた場合は、半導体基板１にアルミスパイクが発生することを抑えることができる。半導体基板１は、シリコン基板や炭化シリコン基板等に半導体素子（ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等）を形成したものを用いることができる。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さは８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さは２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さは７００ｎｍ、Ｃｕ層７の厚さは１００ｎｍである。
【００１４】
図２に示すように、半導体装置１０は、その裏面電極２をハンダ付けすることによって、回路基板１２に接続固定されている。ハンダには、錫、銅、ニッケル、リンが含まれている（すなわち、鉛は含まれていない。）。半導体装置１０がハンダ付けされると、ハンダ層８内では、ハンダ中の錫（Ｓｎ）成分と裏面電極２を構成するＮｉ層６の一部とが反応して合金が生成されている。生成した合金は、ハンダ層８の全体に拡散している。なお、図２では、裏面電極２のＣｕ層７及びＮｉ層６がそのまま存在しているように示されているが、実際にはこれらの層がハンダと混ざり合ってハンダ層８を形成している（図６，８，９，１２，１３において同様）。
【００１５】
本実施例の半導体装置１０の製造方法について説明する。なお、半導体基板１に半導体素子を形成する方法や、表面電極３を形成する方法は、従来公知の方法を用いることができ、本発明を特に特徴付けるものではない。このため、ここではその説明を省略し、裏面電極２の製造方法について説明する。裏面電極２を製造するには、半導体素子が形成された半導体基板１の裏面に、スパッタリングによってＡｌ−Ｓｉ層４、Ｔｉ層５、Ｎｉ層６、Ｃｕ層７をこの順序で積層することによって形成される。
【００１６】
まず、裏面電極２を形成するために用いられるスパッタリング装置３０を説明する。図３および図４は、スパッタリング装置３０の構成を示す模式図である。スパッタリング装置３０は、開閉可能なドアバルブ３８で隔てられたロードロックチャンバ３２と、搬送チャンバ３３と、複数のスパッタリングチャンバ３４と、搬送機構（図示しない）とを備えている。ロードロックチャンバ３２、搬送チャンバ３３、複数のスパッタリングチャンバ３４には、それぞれ減圧装置（図４の３４１）と接続している減圧口が設置されている。減圧装置としては、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ等の真空ポンプを好適に用いることができる。搬送チャンバ３３は、異なるチャンバ間での半導体基板１のやり取りを真空下で行うために設置されている。ロードロックチャンバ３２と複数のスパッタリングチャンバ３４は、搬送チャンバ３３を介して接続している。搬送機構としては、例えば半導体基板１の側面を挟持するフロッグレッグ型ロボットを用いることができる。搬送機構は、半導体基板１を１枚ずつ保持して、ロードロックチャンバ３２、搬送チャンバ３３、スパッタリングチャンバ３４の間で半導体基板１の搬出入を行う。
【００１７】
ロードロックチャンバ３２は、半導体基板１の搬入口（図示しない）と、半導体基板１の搬出口（図示しない）を備えている。半導体基板１は、例えばマガジンセットに複数枚が載置された状態で、ロードロックチャンバ３２に搬送される。搬送機構は、マガジンセットから半導体基板１を１枚ずつ取り出し、ロードロックチャンバ３２、搬送チャンバ３３、スパッタリングチャンバ３４の間で半導体基板１を搬送する。
【００１８】
複数のスパッタリングチャンバ３４は、図４に示すように、それぞれ成膜装置３６と、ガス供給路３４５と、酸素分圧を検知する検知装置３４７とを備えている。スパッタリングチャンバ３４内には、ステージ３４３が設けられている。ステージ３４３の上には誘電層が設けられている。ステージ３４３は、ステージ３４３と半導体基板１の間に電圧を印加し、両者の間に発生した力によって半導体基板１を吸着して保持する（いわゆる静電チャックである）。ステージ３４３には、半導体基板１を加熱する加熱ユニット（図示しない）と冷却ユニット（図示しない）が設けられている。減圧装置３４１としては、真空ポンプを用いることができる。検知装置３４７としては、例えばスパッタリングチャンバ３４内に残留するガスの種類と分圧を測定可能な四重極ガス分析計が用いられている。本実施例では、ガス供給路３４５によってスパッタリングチャンバ３４内に、Ａｒガスを導入することができる。
【００１９】
成膜装置３６は、バッキングプレート３６１とターゲット３６２とを備えている。バッキングプレート３６１は、ターゲット３６２が取り付けられている面と反対側の面が、図示していない冷却水等によって冷却されている。成膜装置３６は、ターゲット３６２と、ステージ３４３上に載置する半導体基板１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、スパッタリングチャンバ３６内において対向しており、離間して配置されている。ターゲット３６２は、形成する電極層によって交換される。本実施例では、複数のスパッタリングチャンバ３４のそれぞれに異なる金属からなるターゲット３６２が設けられている。搬送チャンバ３３を介して半導体基板１が複数のスパッタリングチャンバに搬出入することによって、半導体基板１の裏面にＡｌ−Ｓｉ層４、Ｔｉ層５、Ｎｉ層６、Ｃｕ層７を形成していく。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４とＴｉ層５を形成するスパッタリングチャンバ、Ｎｉ層６を形成するスパッタリングチャンバ、Ｃｕ層７を形成するスパッタリングチャンバが設置されている。
【００２０】
本実施例の半導体装置１０の裏面電極２の製造工程においては、まず、ドアバルブ３８を閉じた状態で、半導体基板１が載置されたマガジンセットをロードロックチャンバ３２に搬送する。
【００２１】
ロードロックチャンバ３２内の減圧が完了すると、ロードロックチャンバ３２と搬送チャンバ３３とを仕切っているドアバルブ３８が開放される。次いで、搬送機構を用いてマガジンセットに載置された半導体基板１をロードロックチャンバ３２から搬送チャンバ３３に移動させ、ロードロックチャンバ３２と搬送チャンバ３３とを仕切っているドアバルブ３８を閉止する。次に、搬送チャンバ３３とスパッタリングチャンバ３４とを仕切っているドアバルブ３８が開放されて、半導体基板１を搬送装置によってスパッタリングチャンバ３４のステージ３４３に移動させる。なお、この時点で、搬送チャンバ３３内およびスパッタリングチャンバ３４内は、既に減圧装置３４１によって減圧されている。搬送機構は、半導体基板１をスパッタリングチャンバ３４のステージ３４３上に載置する。搬送機構は、半導体基板１の裏面がターゲット３４３に対向するように、半導体基板１をステージ３４３に載置する。その後、搬送チャンバ３３とスパッタリングチャンバ３４とを仕切っているドアバルブ３８が閉止される。
【００２２】
スパッタリングチャンバ３４の減圧が完了したら、ガス供給路３４５からスパッタリングチャンバ３４内にＡｒガスを導入する。この状態でターゲット３６２と半導体基板１との間に高電圧を印加する。その結果イオン化したＡｒがターゲット３６２に衝突する。Ａｒイオンが衝突したエネルギーにより、ターゲット３６２からターゲット３６２の材料である金属原子がたたき出される。たたき出された金属原子が、ターゲット３６２と対向している半導体基板１の裏面に堆積する。これによって、半導体基板１の裏面にターゲット３６２の材料である金属の層が形成されていく。半導体基板１が入っているスパッタリングチャンバで行われるスパッタリング工程が終了した後は、搬送チャンバ３３とスパッタリングチャンバ３４とを仕切っているドアバルブ３８が開放されて、半導体基板１を搬送装置によって次のスパッタリングチャンバ３４に移動させ、同様に金属層を形成する。このように、順次異なるターゲット３６２を用いてスパッタリングを行うことによって、半導体基板１の裏面に、Ａｌ−Ｓｉ層４、Ｔｉ層５、Ｎｉ層６、Ｃｕ層７の順序で金属層を積層し、半導体基板１の裏面に裏面電極２を形成する。
【００２３】
なお、半導体装置１０が製造されると、半導体装置１０に対して検査（いわゆる、チップテスト）が行われる。この際、半導体装置１０の裏面電極２にプローブピンを接触させ、裏面電極２と検査装置を電気的に接続する。このため、プローブピンは裏面電極２のＣｕ層７に接触することとなる。Ｃｕは柔らかい金属であるため、Ｃｕ層７とプローブピンとの接触性は良好である。したがって、チップテストを正常に行うことができる。
【００２４】
チップテストが行われて正常と判断された半導体装置１０は、ハンダ付けによって回路基板１２に実装される。具体的には、まず、回路基板１２上にハンダを配置（ハンダリボン（板状ハンダ））し、配置したハンダ上に半導体装置１０を載置する。次いで、回路基板１２、ハンダ、及び半導体装置１０を減圧炉内で加熱し、ハンダを溶融する。そして、溶融したハンダを冷却、固化させることで、半導体装置１０が回路基板１２に実装される。なお、半導体装置１０をハンダ付けする際の条件は、３００℃±１０℃で５分以上とされる。このような条件でハンダ付けを行うことによって、ハンダ中の錫と裏面電極２のＮｉ層６とが効率的に反応して合金を生成し、この合金がハンダ層８内に拡散する。これによって、半導体装置１０が回路基板１２に良好に接合される。また、ハンダは、錫、銅、ニッケル、リンにより構成されていて、鉛を含んでいない。このため、ハンダ付けによって有害となる合金が生成しない。
【００２５】
上述したことから明らかなように、本実施例の半導体装置１０では、Ｃｕ層７がＮｉ層６の裏面に積層されている。このため、Ｎｉ層６の裏面が露出することが防止され、Ｎｉ層６の裏面の酸化を防止することができる。Ｎｉ層６の裏面の酸化が防止されると、ハンダとＮｉ層６の濡れ性が維持され、半導体装置１０を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。また、半導体装置１０を回路基板１２へハンダ付けする際には、減圧炉内で比較的長時間、加熱される。このため、最外層をＡｕ層からＣｕ層７に変えても、Ｃｕ層７がハンダ付けの際の障害となることはない。したがって、本実施例の半導体装置１０によると、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いないことで生産コストを抑えながら、半導体装置１０を回路基板１２に良好に接合することができる。
【実施例２】
【００２６】
図５は、第２実施例の半導体装置２０の断面図である。第２実施例の半導体装置２０は、第１実施例と比較して、Ｎｉ層６の裏面にＳｎ層７２が積層され、Ｓｎ層７２がニッケル酸化防止層として用いられている点で異なる。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さは８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さは２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さは７００ｎｍ、Ｓｎ層７２の厚さは１００ｎｍである。
なお、本実施例の半導体装置２０の製造方法は、第１実施例のＣｕ層７に代えてＳｎ層７２を積層するだけであり、同一である。このため、半導体装置２０の製造方法については、その説明を省略する。また、半導体装置２０を回路基板１２にハンダ付けする際の方法も、第１実施例のそれと同様に、リフロー方式で行われる。
【００２７】
図６は、第２実施例の半導体装置２０を回路基板１２にハンダ付けした後の断面図である。半導体装置２０でも、Ｓｎ層７２がＮｉ層６の酸化防止層となっているため、半導体装置２０を回路基板１２に良好に接合することができる。また、ハンダ付けに使用されるハンダには鉛が含まれておらず、有害な合金が生成されることはない。
【００２８】
第２実施例の半導体装置２０でも、Ｓｎ層７２がＮｉ層６の裏面に積層されていることで、Ｎｉ層６の露出が防止され、Ｎｉ層６の裏面の酸化を防止することができる。Ｎｉ層６の裏面の酸化が防止されると、ハンダとＮｉ層６の濡れ性が維持され、半導体装置２０を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。また、半導体装置２０の回路基板１２へのハンダ付けは、減圧炉内において、３００℃±１０℃で５分以上の条件のリフロー方式で行われる。このため、最外層をＡｕ層からＳｎ層７２に変えても、Ｓｎ層７２がハンダ付けの際の障害となることはない。したがって、本実施例の半導体装置２０によっても、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いないことで生産コストを抑えることができ、かつ、半導体装置２０を回路基板１２に良好に接合することができる。
なお、上述した半導体装置２０では、裏面電極２の最外層にＳｎ層７２が形成されており、Ｓｎは硬い金属である。しかしながら、Ｓｎ層７２を少し厚めに形成し、かつ、プローブピンの形状を鋭い種類のものとすることで、両者を良好に接触させることができる。これによって、正常にチップテストを行うことができる。
【実施例３】
【００２９】
図７は、第３実施例の半導体装置２２の断面図である。第３実施例の半導体装置２２は、第１実施例の半導体装置１０と比較して、裏面電極２の最外層にＴｉ層７４を形成している点で異なる。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さは８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さは２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さは７００ｎｍ、Ｔｉ層７４の厚さは１００ｎｍである。なお、半導体装置２２の製造方法についても、第１実施例のそれと同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
本実施例では、半導体装置２２の最外層にＴｉ層７４が形成されている。このため、Ｎｉ層６の酸化を防止することはできるが、ハンダ付けの反応速度が低下する可能性がある。ハンダ付けの反応速度が低下すると、Ｔｉ層７４のＴｉとハンダの成分であるＳｎの合金がＴｉ層７４とハンダ層８の界面に形成され、偏在する。ＴｉとＳｎの合金８４がＴｉ層７４とハンダ層８の界面に偏在するために、半導体装置２２を良好にハンダ付けすることができない。
そこで、本実施例のハンダ付け方法では、Ｔｉ層７４のＴｉとハンダのＳｎとの合金を生成する第１加熱工程と、生成した合金を生成した温度より低い温度で、一定の時間加熱する第２加熱工程を実施する。これによって、Ｔｉ層７４とハンダ層８の界面に偏在する合金８４をハンダ層８の全体に拡散させることができる。ＴｉとＳｎとの合金をハンダ層８に拡散させることによって、半導体装置２２を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。また、ハンダ付けに使用されるハンダには鉛が含まれておらず、有害な合金が生成されることもない。
【００３１】
図１０は、第３実施例のハンダ付け方法を実施した時の時間とハンダ温度との関係を示している。破線は、ハンダの融点を示している。なお、ハンダ付けの方法は、第１実施例と同様にリフロー方式で行われる。図１０に示すように、加熱を開始してから時間ｔ１が経過すると、ハンダの温度は融点より高い温度Ｔ１（例えば、３００℃）となる。次いで、時間ｔ１〜ｔ２（例えば、５分）の間、ハンダを温度Ｔ１で維持する（第１加熱工程）。時間ｔ１〜ｔ２の加熱によって、ハンダのＳｎとＴｉ層７４のＴｉとの合金８４がＴｉ層７４とハンダ層８の界面に生成する（図８の状態）。時間ｔ２〜ｔ３の間は、ハンダの温度を合金を生成した温度Ｔ１より低く、かつ、ハンダの融点より高い温度Ｔ２まで低下させる。ハンダの温度をＴ２（例えば、２６０℃）とすると、その温度Ｔ２で時間ｔ３〜ｔ４（例えば、４分）の間維持する。これによって、Ｔｉ層７４とハンダ層８の界面に生成した合金８４がハンダ層８に拡散することとなる（図９に示す状態）。このように、本実施例では、合金８４を生成させる第１段階のハンダ付け（温度Ｔ１による加熱）と、その合金８４を拡散させる第２段階のハンダ付け（温度Ｔ２による加熱）を行うことで（２段階のハンダ付けを行うことで）、半導体装置２２を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。
【００３２】
第３実施例の半導体装置２２でも、Ｔｉ層７４がＮｉ層６の裏面に積層されていることで、Ｎｉ層６の露出が防止され、Ｎｉ層６の裏面の酸化を防止することができる。Ｎｉ層６の裏面の酸化が防止されると、ハンダとＮｉ層６の濡れ性が維持される。一方、裏面電極２の最外層をＴｉ層７４とすることで、ハンダ付けの反応速度が低下するが、本実施例では２段階に加熱してハンダ付けを行っている。このため、半導体装置２２を良好にハンダ付けすることできる。従って、本実施例の半導体装置２２でも、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いることなく半導体装置２２を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができ、また、Ａｕ層を用いていないため生産コストを抑えることができる。
なお、本実施例の半導体装置２２では、裏面電極２の最外層にＴｉ層７４が形成される。Ｔｉは柔らかい金属であるため、チップテストにおいてプローブピンとの良好な接触を実現することでき、チップテストを正常に行うことができる。
【実施例４】
【００３３】
図１１は、第４実施例の半導体装置２４の断面図である。第４実施例の半導体装置２４は、第１実施例の半導体装置１０と比較して、裏面電極２をＡｌ−Ｓｉ層４とＴｉ層５とＮｉ層７６の３層構造とされている点で異なる。また、裏面電極２を３層構造とするため、裏面Ｎｉ層７６を第１実施例よりも厚めに形成している。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さを８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さを２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さを８００ｎｍとしている。なお、半導体装置２４の製造方法については、第３実施例のそれと同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
本実施例では、裏面電極２の最外層にＮｉ層７６が形成されるため、Ｎｉ層７６が露出し、Ｎｉ層７６の表面が酸化される。Ｎｉ層７６の表面が酸化されるため、ハンダ付けの反応速度が低下する。このため、本実施例においても、第３実施例と同様にハンダ付け時に２段階の加熱を行っている（すなわち、図１０に示すように２段階に加熱してハンダ付けを行っている）。これによって、１段階目の加熱でＮｉ層７６のＮｉとハンダのＳｎとの合金（Ｓｎ−Ｎｉ）８６が界面に生成し（図１２に示す状態）、２段階目の加熱で界面に生成した合金８６がハンダ層８に拡散する。これによって、半導体装置２４を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。
【００３５】
第４実施例の半導体装置２４においては、裏面電極２の最外層にＮｉ層７６を形成しても、ハンダ付けの際に２段階の加熱を行うことで、半導体装置２４を回路基板１２に良好にハンダ付けすることできる。このため、本実施例の半導体装置２４でも、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いることなく半導体装置２４を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができ、また、Ａｕ層を用いないため生産コストを抑えることができる。
なお、上述した半導体装置２４では、裏面電極２の最外層にＮｉ層７６が形成される。Ｎｉは硬い金属であるが、Ｎｉ層７６を少し厚めに形成し、かつ、プローブピンにドリルピンを使用することで、両者を良好に接触させることができる。これによって、チップテストを正常に行うことができる。なお、プローブピンをドリルピンとしなくても、プローブピンを接触させる方法を工夫することで、プローブピンと裏面電極２を良好に接触させることができる。例えば、プローブピンをＮｉ層７６に一度突き刺して、その後に再度接触させることによっても、プローブピンとＮｉ層７６を良好に接触させることができる。
【００３６】
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。例えば、各半導体領域については、Ｐ型とＮ型を入れ替えてもよい。
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。
【符号の説明】
【００３７】
１ 半導体層
２ 裏面電極
３ 表面電極
４ アルミニウム層
５ チタン層
６ ニッケル層
７ 銅層
８ ハンダ層
７２ 錫層
７４ チタン層
７６ ニッケル層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の裏面に複数の金属層を積層した裏面電極を備えている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのパワー半導体装置では、裏面電極として複数の金属層を積層した積層電極が用いられている。この種の半導体装置を基板上に実装する方法としては、ハンダ付けによる方法が知られている。ハンダ付けによって半導体装置を基板上に実装するには、ハンダと裏面電極との濡れ性が良好である必要がある。このため、従来の半導体装置では、裏面電極を構成する複数の金属層の一つにハンダとの濡れ性に優れたニッケル層が用いられている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３５４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ニッケル層を裏面電極の最外層とすると、ニッケル層が酸化し、ハンダとの濡れ性が低下する。このため、上記特許文献１の技術では、ニッケル層の裏面に金層が積層されている。ニッケル層の裏面に金層を積層することによって、ニッケル層が酸化されることが防止され、ハンダと裏面電極との濡れ性を確保している。しかしながら、上記の特許文献１の技術では、ニッケル層の裏面に高価な金層を用いるため高コストになるという問題がある。
【０００５】
本発明は、裏面電極の最外層に金層を配置しないことで低コストとすることができ、かつ、裏面電極の最外層に金層を配置しなくても良好にハンダ付けすることができる半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、裏面電極の最外層に金層を形成しなくても、良好にハンダ接合することができる裏面電極の構造（最外層の金属層）について鋭意検討した。その結果、従来は裏面電極の最外層には不適切と考えられていた金属（金以外の金属）であっても、ハンダ付け時の加熱条件等を調整することで、良好にハンダ付けすることができるものがあるという知見を得た。
本発明の半導体層装置は、上記の新たな知見に基づいて創作されたものである。本発明の第１の半導体装置は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層された第３金属層と、第３金属層の裏面に積層された第４金属層を有している。第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、第２金属層は、チタンを含んでおり、第３金属層は、ニッケルを含んでおり、第４金属層は、銅、錫、チタンのいずれか１つを含んでいる。
この半導体装置では、第４金属層に金ではなく銅、錫、チタンのいずれか一つを用いているため、低コストで生産することができる。また、第３金属層（ニッケル層）の裏面に第４金属層（最外層）が積層されるため、第３金属層（ニッケル層）が露出することが防止され、第３金属層（ニッケル層）の酸化が防止される。また、第４金属層に銅、錫、チタンを用いても、ハンダ付け時の加熱条件を調整することで、半導体装置を良好にハンダ付けすることができる。
【０００７】
また、本発明の第２の半導体装置は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層され、裏面電極の最外層に位置する第３金属層を有している。そして、第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、第２金属層は、チタンを含んでおり、第３金属層は、ニッケルを含んでいる。
この半導体装置でも、金層を用いていないため、低コストで生産することができる。なお、第３金属層（ニッケル層）が裏面電極の最外層に形成されているため、第３金属層が酸化する可能性はある。しかしながら、後述するようにハンダ付け時の加熱条件を調整することで、ニッケル層の裏面（接合面）が酸化していても、半導体装置を良好にハンダ付けすることができる。
【０００８】
また、本発明は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も外側に位置する最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置を良好にハンダ付けする新規な方法を提供する。この方法では、最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱工程と、第１加熱工程で生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱工程と、を有する。
この方法では、第１加熱工程で最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とが反応して生成した合金が、第２加熱工程でハンダ中に拡散する。このため、半導体装置を良好にハンダ付けすることができる。
【０００９】
さらに、本発明は、半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も裏側の最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置と、その半導体装置がハンダ付けされる回路基板と、を備えた半導体装置を備えた装置を良好に製造する方法を提供する。この製造方法は、回路基板の実装面又は半導体装置の裏面電極上にハンダを配置する工程と、配置したハンダを溶融固化することで回路基板上に半導体装置を実装する工程と、を有している。そして、実装工程は、最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱ステップと、第１加熱ステップで生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱ステップと、を有している。
この製造方法では、半導体装置を回路基板にハンダ付けする際に、第１加熱ステップで裏面電極の最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とが反応して合金を生成し、第２加熱ステップでその合金がハンダ中に拡散する。このため、回路基板上に良好に半導体装置を実装することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体装置は、回路基板上に良好にハンダ付けすることができ、また、生産コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例の半導体装置の断面図である。
【図２】ハンダ付け後の第１実施例の半導体装置と回路基板の断面図である。
【図３】スパッタリング装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】成膜装置の概略構成を示す模式図である。
【図５】第２実施例の半導体装置の断面図である。
【図６】ハンダ付け後の第２実施例の半導体装置と回路基板の断面図である。
【図７】第３実施例の半導体装置の断面図である。
【図８】ハンダ付け後の第３実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダと裏面電極の界面に偏在している状態を示している。
【図９】ハンダ付け後の第３実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダ層全体に拡散している状態を示している。
【図１０】ハンダ付け時の温度プロファイルを示すグラフである。
【図１１】第４実施例の半導体装置の断面図である。
【図１２】ハンダ付け後の第４実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダと裏面電極の界面に偏在している状態を示している。
【図１３】ハンダ付け後の第４実施例の半導体装置と回路基板の断面図であり、ハンダ付けにより生成された合金がハンダ層全体に拡散している状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
下記の実施例に記載されている技術の特徴を以下に列挙する。
（特徴１）ハンダには鉛が含まれていない（いわゆる鉛フリーハンダを使用している）。
（特徴２）半導体装置は、車載用半導体装置である。
（特徴３）半導体装置は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳ等のスイッチング素子である。
【実施例１】
【００１３】
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。図１は、第１実施例の半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、半導体基板１、裏面電極２、表面電極３によって構成されている。裏面電極２は、半導体基板１の裏面側から、アルミニウム含有(Ａｌ−Ｓｉ)層４、チタン（Ｔｉ）層５、ニッケル（Ｎｉ）層６、銅（Ｃｕ）層７が順に積層されている。Ａｌ−Ｓｉ層４は、半導体基板１との接触性を向上させるために用いられている。Ｔｉ層５は、バリアメタルとして用いられている。Ｎｉ層６は、ハンダ付けする場合に、濡れ性を維持するために用いられている。Ｃｕ層７は、ニッケル酸化防止層として用いられている。Ａｌ−Ｓｉ層４は、本実施例のように、Ａｌ合金（アルミニウム−シリコン合金）を用いてもよいが、高純度Ａｌを用いてもよい。アルミニウム−シリコン合金を用いた場合は、半導体基板１にアルミスパイクが発生することを抑えることができる。半導体基板１は、シリコン基板や炭化シリコン基板等に半導体素子（ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等）を形成したものを用いることができる。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さは８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さは２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さは７００ｎｍ、Ｃｕ層７の厚さは１００ｎｍである。
【００１４】
図２に示すように、半導体装置１０は、その裏面電極２をハンダ付けすることによって、回路基板１２に接続固定されている。ハンダには、錫、銅、ニッケル、リンが含まれている（すなわち、鉛は含まれていない。）。半導体装置１０がハンダ付けされると、ハンダ層８内では、ハンダ中の錫（Ｓｎ）成分と裏面電極２を構成するＮｉ層６の一部とが反応して合金が生成されている。生成した合金は、ハンダ層８の全体に拡散している。なお、図２では、裏面電極２のＣｕ層７及びＮｉ層６がそのまま存在しているように示されているが、実際にはこれらの層がハンダと混ざり合ってハンダ層８を形成している（図６，８，９，１２，１３において同様）。
【００１５】
本実施例の半導体装置１０の製造方法について説明する。なお、半導体基板１に半導体素子を形成する方法や、表面電極３を形成する方法は、従来公知の方法を用いることができ、本発明を特に特徴付けるものではない。このため、ここではその説明を省略し、裏面電極２の製造方法について説明する。裏面電極２を製造するには、半導体素子が形成された半導体基板１の裏面に、スパッタリングによってＡｌ−Ｓｉ層４、Ｔｉ層５、Ｎｉ層６、Ｃｕ層７をこの順序で積層することによって形成される。
【００１６】
まず、裏面電極２を形成するために用いられるスパッタリング装置３０を説明する。図３および図４は、スパッタリング装置３０の構成を示す模式図である。スパッタリング装置３０は、開閉可能なドアバルブ３８で隔てられたロードロックチャンバ３２と、搬送チャンバ３３と、複数のスパッタリングチャンバ３４と、搬送機構（図示しない）とを備えている。ロードロックチャンバ３２、搬送チャンバ３３、複数のスパッタリングチャンバ３４には、それぞれ減圧装置（図４の３４１）と接続している減圧口が設置されている。減圧装置としては、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ等の真空ポンプを好適に用いることができる。搬送チャンバ３３は、異なるチャンバ間での半導体基板１のやり取りを真空下で行うために設置されている。ロードロックチャンバ３２と複数のスパッタリングチャンバ３４は、搬送チャンバ３３を介して接続している。搬送機構としては、例えば半導体基板１の側面を挟持するフロッグレッグ型ロボットを用いることができる。搬送機構は、半導体基板１を１枚ずつ保持して、ロードロックチャンバ３２、搬送チャンバ３３、スパッタリングチャンバ３４の間で半導体基板１の搬出入を行う。
【００１７】
ロードロックチャンバ３２は、半導体基板１の搬入口（図示しない）と、半導体基板１の搬出口（図示しない）を備えている。半導体基板１は、例えばマガジンセットに複数枚が載置された状態で、ロードロックチャンバ３２に搬送される。搬送機構は、マガジンセットから半導体基板１を１枚ずつ取り出し、ロードロックチャンバ３２、搬送チャンバ３３、スパッタリングチャンバ３４の間で半導体基板１を搬送する。
【００１８】
複数のスパッタリングチャンバ３４は、図４に示すように、それぞれ成膜装置３６と、ガス供給路３４５と、酸素分圧を検知する検知装置３４７とを備えている。スパッタリングチャンバ３４内には、ステージ３４３が設けられている。ステージ３４３の上には誘電層が設けられている。ステージ３４３は、ステージ３４３と半導体基板１の間に電圧を印加し、両者の間に発生した力によって半導体基板１を吸着して保持する（いわゆる静電チャックである）。ステージ３４３には、半導体基板１を加熱する加熱ユニット（図示しない）と冷却ユニット（図示しない）が設けられている。減圧装置３４１としては、真空ポンプを用いることができる。検知装置３４７としては、例えばスパッタリングチャンバ３４内に残留するガスの種類と分圧を測定可能な四重極ガス分析計が用いられている。本実施例では、ガス供給路３４５によってスパッタリングチャンバ３４内に、Ａｒガスを導入することができる。
【００１９】
成膜装置３６は、バッキングプレート３６１とターゲット３６２とを備えている。バッキングプレート３６１は、ターゲット３６２が取り付けられている面と反対側の面が、図示していない冷却水等によって冷却されている。成膜装置３６は、ターゲット３６２と、ステージ３４３上に載置する半導体基板１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、スパッタリングチャンバ３６内において対向しており、離間して配置されている。ターゲット３６２は、形成する電極層によって交換される。本実施例では、複数のスパッタリングチャンバ３４のそれぞれに異なる金属からなるターゲット３６２が設けられている。搬送チャンバ３３を介して半導体基板１が複数のスパッタリングチャンバに搬出入することによって、半導体基板１の裏面にＡｌ−Ｓｉ層４、Ｔｉ層５、Ｎｉ層６、Ｃｕ層７を形成していく。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４とＴｉ層５を形成するスパッタリングチャンバ、Ｎｉ層６を形成するスパッタリングチャンバ、Ｃｕ層７を形成するスパッタリングチャンバが設置されている。
【００２０】
本実施例の半導体装置１０の裏面電極２の製造工程においては、まず、ドアバルブ３８を閉じた状態で、半導体基板１が載置されたマガジンセットをロードロックチャンバ３２に搬送する。
【００２１】
ロードロックチャンバ３２内の減圧が完了すると、ロードロックチャンバ３２と搬送チャンバ３３とを仕切っているドアバルブ３８が開放される。次いで、搬送機構を用いてマガジンセットに載置された半導体基板１をロードロックチャンバ３２から搬送チャンバ３３に移動させ、ロードロックチャンバ３２と搬送チャンバ３３とを仕切っているドアバルブ３８を閉止する。次に、搬送チャンバ３３とスパッタリングチャンバ３４とを仕切っているドアバルブ３８が開放されて、半導体基板１を搬送装置によってスパッタリングチャンバ３４のステージ３４３に移動させる。なお、この時点で、搬送チャンバ３３内およびスパッタリングチャンバ３４内は、既に減圧装置３４１によって減圧されている。搬送機構は、半導体基板１をスパッタリングチャンバ３４のステージ３４３上に載置する。搬送機構は、半導体基板１の裏面がターゲット３４３に対向するように、半導体基板１をステージ３４３に載置する。その後、搬送チャンバ３３とスパッタリングチャンバ３４とを仕切っているドアバルブ３８が閉止される。
【００２２】
スパッタリングチャンバ３４の減圧が完了したら、ガス供給路３４５からスパッタリングチャンバ３４内にＡｒガスを導入する。この状態でターゲット３６２と半導体基板１との間に高電圧を印加する。その結果イオン化したＡｒがターゲット３６２に衝突する。Ａｒイオンが衝突したエネルギーにより、ターゲット３６２からターゲット３６２の材料である金属原子がたたき出される。たたき出された金属原子が、ターゲット３６２と対向している半導体基板１の裏面に堆積する。これによって、半導体基板１の裏面にターゲット３６２の材料である金属の層が形成されていく。半導体基板１が入っているスパッタリングチャンバで行われるスパッタリング工程が終了した後は、搬送チャンバ３３とスパッタリングチャンバ３４とを仕切っているドアバルブ３８が開放されて、半導体基板１を搬送装置によって次のスパッタリングチャンバ３４に移動させ、同様に金属層を形成する。このように、順次異なるターゲット３６２を用いてスパッタリングを行うことによって、半導体基板１の裏面に、Ａｌ−Ｓｉ層４、Ｔｉ層５、Ｎｉ層６、Ｃｕ層７の順序で金属層を積層し、半導体基板１の裏面に裏面電極２を形成する。
【００２３】
なお、半導体装置１０が製造されると、半導体装置１０に対して検査（いわゆる、チップテスト）が行われる。この際、半導体装置１０の裏面電極２にプローブピンを接触させ、裏面電極２と検査装置を電気的に接続する。このため、プローブピンは裏面電極２のＣｕ層７に接触することとなる。Ｃｕは柔らかい金属であるため、Ｃｕ層７とプローブピンとの接触性は良好である。したがって、チップテストを正常に行うことができる。
【００２４】
チップテストが行われて正常と判断された半導体装置１０は、ハンダ付けによって回路基板１２に実装される。具体的には、まず、回路基板１２上にハンダを配置（ハンダリボン（板状ハンダ））し、配置したハンダ上に半導体装置１０を載置する。次いで、回路基板１２、ハンダ、及び半導体装置１０を減圧炉内で加熱し、ハンダを溶融する。そして、溶融したハンダを冷却、固化させることで、半導体装置１０が回路基板１２に実装される。なお、半導体装置１０をハンダ付けする際の条件は、３００℃±１０℃で５分以上とされる。このような条件でハンダ付けを行うことによって、ハンダ中の錫と裏面電極２のＮｉ層６とが効率的に反応して合金を生成し、この合金がハンダ層８内に拡散する。これによって、半導体装置１０が回路基板１２に良好に接合される。また、ハンダは、錫、銅、ニッケル、リンにより構成されていて、鉛を含んでいない。このため、ハンダ付けによって有害となる合金が生成しない。
【００２５】
上述したことから明らかなように、本実施例の半導体装置１０では、Ｃｕ層７がＮｉ層６の裏面に積層されている。このため、Ｎｉ層６の裏面が露出することが防止され、Ｎｉ層６の裏面の酸化を防止することができる。Ｎｉ層６の裏面の酸化が防止されると、ハンダとＮｉ層６の濡れ性が維持され、半導体装置１０を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。また、半導体装置１０を回路基板１２へハンダ付けする際には、減圧炉内で比較的長時間、加熱される。このため、最外層をＡｕ層からＣｕ層７に変えても、Ｃｕ層７がハンダ付けの際の障害となることはない。したがって、本実施例の半導体装置１０によると、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いないことで生産コストを抑えながら、半導体装置１０を回路基板１２に良好に接合することができる。
【実施例２】
【００２６】
図５は、第２実施例の半導体装置２０の断面図である。第２実施例の半導体装置２０は、第１実施例と比較して、Ｎｉ層６の裏面にＳｎ層７２が積層され、Ｓｎ層７２がニッケル酸化防止層として用いられている点で異なる。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さは８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さは２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さは７００ｎｍ、Ｓｎ層７２の厚さは１００ｎｍである。
なお、本実施例の半導体装置２０の製造方法は、第１実施例のＣｕ層７に代えてＳｎ層７２を積層するだけであり、同一である。このため、半導体装置２０の製造方法については、その説明を省略する。また、半導体装置２０を回路基板１２にハンダ付けする際の方法も、第１実施例のそれと同様に、リフロー方式で行われる。
【００２７】
図６は、第２実施例の半導体装置２０を回路基板１２にハンダ付けした後の断面図である。半導体装置２０でも、Ｓｎ層７２がＮｉ層６の酸化防止層となっているため、半導体装置２０を回路基板１２に良好に接合することができる。また、ハンダ付けに使用されるハンダには鉛が含まれておらず、有害な合金が生成されることはない。
【００２８】
第２実施例の半導体装置２０でも、Ｓｎ層７２がＮｉ層６の裏面に積層されていることで、Ｎｉ層６の露出が防止され、Ｎｉ層６の裏面の酸化を防止することができる。Ｎｉ層６の裏面の酸化が防止されると、ハンダとＮｉ層６の濡れ性が維持され、半導体装置２０を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。また、半導体装置２０の回路基板１２へのハンダ付けは、減圧炉内において、３００℃±１０℃で５分以上の条件のリフロー方式で行われる。このため、最外層をＡｕ層からＳｎ層７２に変えても、Ｓｎ層７２がハンダ付けの際の障害となることはない。したがって、本実施例の半導体装置２０によっても、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いないことで生産コストを抑えることができ、かつ、半導体装置２０を回路基板１２に良好に接合することができる。
なお、上述した半導体装置２０では、裏面電極２の最外層にＳｎ層７２が形成されており、Ｓｎは硬い金属である。しかしながら、Ｓｎ層７２を少し厚めに形成し、かつ、プローブピンの形状を鋭い種類のものとすることで、両者を良好に接触させることができる。これによって、正常にチップテストを行うことができる。
【実施例３】
【００２９】
図７は、第３実施例の半導体装置２２の断面図である。第３実施例の半導体装置２２は、第１実施例の半導体装置１０と比較して、裏面電極２の最外層にＴｉ層７４を形成している点で異なる。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さは８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さは２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さは７００ｎｍ、Ｔｉ層７４の厚さは１００ｎｍである。なお、半導体装置２２の製造方法についても、第１実施例のそれと同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
本実施例では、半導体装置２２の最外層にＴｉ層７４が形成されている。このため、Ｎｉ層６の酸化を防止することはできるが、ハンダ付けの反応速度が低下する可能性がある。ハンダ付けの反応速度が低下すると、Ｔｉ層７４のＴｉとハンダの成分であるＳｎの合金がＴｉ層７４とハンダ層８の界面に形成され、偏在する。ＴｉとＳｎの合金８４がＴｉ層７４とハンダ層８の界面に偏在するために、半導体装置２２を良好にハンダ付けすることができない。
そこで、本実施例のハンダ付け方法では、Ｔｉ層７４のＴｉとハンダのＳｎとの合金を生成する第１加熱工程と、生成した合金を生成した温度より低い温度で、一定の時間加熱する第２加熱工程を実施する。これによって、Ｔｉ層７４とハンダ層８の界面に偏在する合金８４をハンダ層８の全体に拡散させることができる。ＴｉとＳｎとの合金をハンダ層８に拡散させることによって、半導体装置２２を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。また、ハンダ付けに使用されるハンダには鉛が含まれておらず、有害な合金が生成されることもない。
【００３１】
図１０は、第３実施例のハンダ付け方法を実施した時の時間とハンダ温度との関係を示している。破線は、ハンダの融点を示している。なお、ハンダ付けの方法は、第１実施例と同様にリフロー方式で行われる。図１０に示すように、加熱を開始してから時間ｔ１が経過すると、ハンダの温度は融点より高い温度Ｔ１（例えば、３００℃）となる。次いで、時間ｔ１〜ｔ２（例えば、５分）の間、ハンダを温度Ｔ１で維持する（第１加熱工程）。時間ｔ１〜ｔ２の加熱によって、ハンダのＳｎとＴｉ層７４のＴｉとの合金８４がＴｉ層７４とハンダ層８の界面に生成する（図８の状態）。時間ｔ２〜ｔ３の間は、ハンダの温度を合金を生成した温度Ｔ１より低く、かつ、ハンダの融点より高い温度Ｔ２まで低下させる。ハンダの温度をＴ２（例えば、２６０℃）とすると、その温度Ｔ２で時間ｔ３〜ｔ４（例えば、４分）の間維持する。これによって、Ｔｉ層７４とハンダ層８の界面に生成した合金８４がハンダ層８に拡散することとなる（図９に示す状態）。このように、本実施例では、合金８４を生成させる第１段階のハンダ付け（温度Ｔ１による加熱）と、その合金８４を拡散させる第２段階のハンダ付け（温度Ｔ２による加熱）を行うことで（２段階のハンダ付けを行うことで）、半導体装置２２を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。
【００３２】
第３実施例の半導体装置２２でも、Ｔｉ層７４がＮｉ層６の裏面に積層されていることで、Ｎｉ層６の露出が防止され、Ｎｉ層６の裏面の酸化を防止することができる。Ｎｉ層６の裏面の酸化が防止されると、ハンダとＮｉ層６の濡れ性が維持される。一方、裏面電極２の最外層をＴｉ層７４とすることで、ハンダ付けの反応速度が低下するが、本実施例では２段階に加熱してハンダ付けを行っている。このため、半導体装置２２を良好にハンダ付けすることできる。従って、本実施例の半導体装置２２でも、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いることなく半導体装置２２を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができ、また、Ａｕ層を用いていないため生産コストを抑えることができる。
なお、本実施例の半導体装置２２では、裏面電極２の最外層にＴｉ層７４が形成される。Ｔｉは柔らかい金属であるため、チップテストにおいてプローブピンとの良好な接触を実現することでき、チップテストを正常に行うことができる。
【実施例４】
【００３３】
図１１は、第４実施例の半導体装置２４の断面図である。第４実施例の半導体装置２４は、第１実施例の半導体装置１０と比較して、裏面電極２をＡｌ−Ｓｉ層４とＴｉ層５とＮｉ層７６の３層構造とされている点で異なる。また、裏面電極２を３層構造とするため、裏面Ｎｉ層７６を第１実施例よりも厚めに形成している。本実施例では、Ａｌ−Ｓｉ層４の厚さを８００ｎｍ、Ｔｉ層５の厚さを２００ｎｍ、Ｎｉ層６の厚さを８００ｎｍとしている。なお、半導体装置２４の製造方法については、第３実施例のそれと同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
本実施例では、裏面電極２の最外層にＮｉ層７６が形成されるため、Ｎｉ層７６が露出し、Ｎｉ層７６の表面が酸化される。Ｎｉ層７６の表面が酸化されるため、ハンダ付けの反応速度が低下する。このため、本実施例においても、第３実施例と同様にハンダ付け時に２段階の加熱を行っている（すなわち、図１０に示すように２段階に加熱してハンダ付けを行っている）。これによって、１段階目の加熱でＮｉ層７６のＮｉとハンダのＳｎとの合金（Ｓｎ−Ｎｉ）８６が界面に生成し（図１２に示す状態）、２段階目の加熱で界面に生成した合金８６がハンダ層８に拡散する。これによって、半導体装置２４を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができる。
【００３５】
第４実施例の半導体装置２４においては、裏面電極２の最外層にＮｉ層７６を形成しても、ハンダ付けの際に２段階の加熱を行うことで、半導体装置２４を回路基板１２に良好にハンダ付けすることできる。このため、本実施例の半導体装置２４でも、裏面電極２の最外層にＡｕ層を用いることなく半導体装置２４を回路基板１２に良好にハンダ付けすることができ、また、Ａｕ層を用いないため生産コストを抑えることができる。
なお、上述した半導体装置２４では、裏面電極２の最外層にＮｉ層７６が形成される。Ｎｉは硬い金属であるが、Ｎｉ層７６を少し厚めに形成し、かつ、プローブピンにドリルピンを使用することで、両者を良好に接触させることができる。これによって、チップテストを正常に行うことができる。なお、プローブピンをドリルピンとしなくても、プローブピンを接触させる方法を工夫することで、プローブピンと裏面電極２を良好に接触させることができる。例えば、プローブピンをＮｉ層７６に一度突き刺して、その後に再度接触させることによっても、プローブピンとＮｉ層７６を良好に接触させることができる。
【００３６】
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。例えば、各半導体領域については、Ｐ型とＮ型を入れ替えてもよい。
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。
【符号の説明】
【００３７】
１ 半導体層
２ 裏面電極
３ 表面電極
４ アルミニウム層
５ チタン層
６ ニッケル層
７ 銅層
８ ハンダ層
７２ 錫層
７４ チタン層
７６ ニッケル層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、
裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層された第３金属層と、第３金属層の裏面に積層された第４金属層を有しており、
第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、
第２金属層は、チタンを含んでおり、
第３金属層は、ニッケルを含んでおり、
第４金属層は、銅、錫、チタンのいずれか１つを含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、
裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層され、裏面電極の最外層に位置する第３金属層を有しており、
第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、
第２金属層は、チタンを含んでおり、
第３金属層は、ニッケルを含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も外側に位置する最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置をハンダ付けする方法であって、
最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱工程と、
第１加熱工程で生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱工程と、を有する半導体装置のハンダ付け方法。
【請求項４】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も裏側の最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置と、
その半導体装置がハンダ付けされる回路基板と、を備えた装置を製造する方法であって、
回路基板の実装面又は半導体装置の裏面電極上にハンダを配置する工程と、
配置したハンダを溶融固化することで回路基板上に半導体装置を実装する工程と、を有しており、
前記実装工程は、
最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱ステップと、
第１加熱ステップで生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱ステップと、を有することを特徴とする半導体装置を備えた装置の製造方法。
【請求項１】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、
裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層された第３金属層と、第３金属層の裏面に積層された第４金属層を有しており、
第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、
第２金属層は、チタンを含んでおり、
第３金属層は、ニッケルを含んでおり、
第４金属層は、銅、錫、チタンのいずれか１つを含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されている半導体装置であって、
裏面電極は、半導体基板の裏面側から順に、第１金属層と、第１金属層の裏面に積層された第２金属層と、第２金属層の裏面に積層され、裏面電極の最外層に位置する第３金属層を有しており、
第１金属層は、アルミニウムを含んでおり、
第２金属層は、チタンを含んでおり、
第３金属層は、ニッケルを含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も外側に位置する最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置をハンダ付けする方法であって、
最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱工程と、
第１加熱工程で生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱工程と、を有する半導体装置のハンダ付け方法。
【請求項４】
半導体基板の裏面に裏面電極が積層されており、その裏面電極の最も裏側の最外層金属層にチタン又はニッケルが含まれている半導体装置と、
その半導体装置がハンダ付けされる回路基板と、を備えた装置を製造する方法であって、
回路基板の実装面又は半導体装置の裏面電極上にハンダを配置する工程と、
配置したハンダを溶融固化することで回路基板上に半導体装置を実装する工程と、を有しており、
前記実装工程は、
最外層金属層に含まれる金属成分とハンダに含まれる錫成分とを反応させて合金を生成する第１加熱ステップと、
第１加熱ステップで生成した合金をハンダ中に拡散させる第２加熱ステップと、を有することを特徴とする半導体装置を備えた装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１７１１４１（Ｐ２０１０−１７１１４１Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１２６０（Ｐ２００９−１１２６０）
【出願日】平成２１年１月２１日（２００９．１．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２１日（２００９．１．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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