特開 2022-164282 半導体装置の製造方法及び半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022164282

(43)【公開日】2022-10-27

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法及び半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20221020BHJP

【ＦＩ】

H01L21/52 C

H01L21/52 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021069678

(22)【出願日】2021-04-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．

【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(74)【代理人】

【識別番号】100137316

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 宏

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 大輔

【テーマコード（参考）】

5F047

【Ｆターム（参考）】

5F047AA11

5F047AA17

5F047AB03

5F047BA19

5F047BA52

5F047BB01

5F047BB05

5F047BB16

5F047BB18

5F047CB03

(57)【要約】

【課題】ボイドの発生を抑止しつつ、上記接触面における位置ズレや焼結後の界面剥離を防止できる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ダイと、基板電極又はリードフレームとを、シンター層で接合する半導体装置を製造する方法である。
そして、上記基板電極又はリードフレームに凹部を有する乾燥シンター層を形成する処理と、上記半導体ダイに上記凹部に嵌合する乾燥シンター層を形成する処理と、を有する乾燥シンター層形成工程と、上記２つの乾燥シンター層を重ね合わせ、上記乾燥シンター層の凹部に上記他方の乾燥シンター層を嵌合させる積層工程と、上記重ね合わせた２つの乾燥シンター層を焼結し、上記半導体ダイと基板電極又はリードフレームとを接合する焼結工程と、を有することとしたため、基板電極又はリードフレームと半導体ダイとの位置がずれることのない半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体ダイと基板電極、及び／又は半導体ダイとリードフレームとが、焼結シンター層で接合された半導体装置の製造方法であって、
上記基板電極又はリードフレームに凹部を有する乾燥シンター層を形成する処理と、
上記半導体ダイに上記凹部に嵌合する乾燥シンター層を形成する処理と、を有する乾燥シンター層形成工程と、
上記２つの乾燥シンター層を重ね合わせ、上記乾燥シンター層の凹部に上記他方の乾燥シンター層を嵌合させる積層工程と、
上記重ね合わせた２つの乾燥シンター層を焼結し、上記半導体ダイと基板電極又はリードフレームとを接合する焼結工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項2】

上記凹部を有する乾燥シンター層を形成する処理が、
上記基板電極又はリードフレームの一方の表面に、溶剤を含有するシンター材を塗布し、凹部を有する湿潤シンター層を形成し、
上記湿潤シンター層の溶剤を揮発させ、凹部を形成する処理を有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。

【請求項3】

上記凹部を有する乾燥シンター層を形成する処理が、
予め凹部が形成された基板電極又はリードフレームを用い、
上記基板電極又はリードフレームの凹部と該凹部の周囲とに溶剤を含有するシンター材を塗布し、上記凹部の厚さが該凹部の周囲よりも厚い湿潤シンター層を形成し、
上記湿潤シンター層の溶剤を揮発させ、凹部を形成する処理を有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。

【請求項4】

上記凹部を有する乾燥シンター層を形成する処理が、
上記湿潤シンター層の角部に、さらにペレット状はんだを付与する処理を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項5】

上記凹部に嵌合する乾燥シンター層を形成する処理が、
予め凸が形成された半導体ダイを用い、
上記半導体ダイの凸部と該凸部の周囲とに溶剤を含有するシンター材を塗布し、上記凸部の厚さが該凸部の周囲よりも薄い湿潤シンター層を形成し、
上記湿潤シンター層の溶剤を揮発させ、上記凹部に嵌合する凸部形成する処理を含むことを特徴とする請求項１～４のいずれか１つの項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項6】

上記半導体ダイの凸部が、表面電極で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項7】

半導体ダイと、基板電極又はリードフレームとが焼結シンター層で接合された半導体装置であって、
上記基板電極又はリードフレームが、上記焼結シンター層との接合面の該焼結シンター層が付与された範囲の内側に、その範囲よりも小さな凹部を有することを特徴とする半導体装置。

【請求項8】

上記半導体ダイが表面電極で形成された凸部を有し、
上記凸部の全体が、上記シンター層で覆われて接合していることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。

【請求項9】

上記半導体ダイと焼結シンター層との接合面が、その角部にはんだで接合した部位を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に係り、更に詳細には、無加圧又は低加圧状態で加熱焼結する半導体装置の製造方法及び該製造方法で製造された半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の電力機器の小型化・高出力化に伴い、パワーモジュールを高耐熱化し、高温動作させることが重要となっている。そのパワーモジュールに使用される半導体ダイと基板電極の接合における高耐熱実装の一つとしてシンター接合がある。

【0003】

上記シンター結合は、粒径がマイクロサイズからナノサイズの銀や銅、ニッケルなどの金属粒子を溶剤中に分散させたペースト状のシンター材を接合面に付与し、これを焼結させる接合方法である。

【0004】

上記ペースト状シンター材を接合面に付与し半導体ダイと基板電極とを積層すると、揮発する溶剤の放出経路が塞がれるので、シンター接合によって形成されるシンター層にボイド（空隙）が形成され、放熱経路の阻害や熱疲労寿命の低下に繋がる。

【0005】

特許文献１には、基板電極に塗布したペースト状の塗料層から溶剤を揮発させた後に、半導体ダイを積層することで上記ボイドの発生を抑止できる旨が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０１２－５１７７０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、溶剤を揮発させたシンター材はタック性を喪失しているため、上記シンター材上に積層した半導体ダイを充分固定することができず、振動などによってシンター材と半導体ダイとの接触面で位置ズレが生じ易い。また、焼結後においても半導体ダイと基板電極との熱膨張率差で生じる熱応力によって、上記シンター材と半導体ダイとの接合面で界面剥離が生じ易い。

【0008】

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ボイドの発生を抑止しつつ、上記接触面における位置ズレや焼結後の界面剥離を防止できる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、基板電極又はリードフレームに対して、凹部を有する乾燥シンター層を形成し、半導体ダイに上記凹部に嵌合する乾燥シンター層を形成してこれらを嵌合させることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0010】

即ち、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ダイと基板電極及び／又は半導体ダイとリードフレームとが、焼結シンター層で接合された半導体装置の製造方法である。
そして、上記基板電極又はリードフレームに凹部を有する乾燥シンター層を形成する処理と、上記半導体ダイに上記凹部に嵌合する乾燥シンター層を形成する処理と、を有する乾燥シンター層形成工程と、
上記２つの乾燥シンター層を重ね合わせ、上記乾燥シンター層の凹部に上記他方の乾燥シンター層を嵌合させる積層工程と、
上記重ね合わせた２つの乾燥シンター層を焼結し、上記半導体ダイと基板電極又はリードフレームとを接合する焼結工程と、を有することを特徴とする。

【0011】

また、本発明の半導体装置は、半導体ダイと、基板電極又はリードフレームとが焼結シンター層で接合された半導体装置である。
そして、上記基板電極又はリードフレームが、上記焼結シンター層との接合面の該焼結シンター層が付与された範囲の内側に、その範囲よりも小さな凹部を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、基板電極又はリードフレームと半導体ダイとの両方に乾燥シンター層を形成し、一方の乾燥シンター層を他方の乾燥シンター層の凹部に嵌合させることとしたため、基板電極又はリードフレームと半導体ダイとの位置がずれることのない半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】半導体装置の断面図である。

【図2】積層前の乾燥シンター層の形状を示す断面図である。

【図3】乾燥シンター層を積層した状態を示す断面図である。

【図4】平面状の基板電極に凹部を有する湿潤シンター層を形成した状態を示す断面図である。

【図5】凹部を有する湿潤シンター層を形成する印刷用マスクの一例を示す図である。

【図6】ディスペンスを用いて凹部を有する湿潤シンター層を基板電極に形成する状態を示す平面図である。

【図7】凹部を有する基板電極に湿潤シンター層を形成した状態を示す断面図である。

【図8】凹部を有する基板電極に形成した湿潤シンター層を乾燥させた後の状態を示す断面図である。

【図9】乾燥シンター層を積層した状態を示す断面図である。

【図10】湿潤シンター層にペレット状はんだを乗せた状態を示す断面図である。

【図11】ペレット状はんだを乗せた乾燥シンター層を積層した状態を示す断面図である。

【図12】リードフレームを積層した半導体装置の断面図である。

【図13】半導体ダイの表面電極の全体を覆う湿潤シンター層を示す断面図である。

【図14】半導体ダイの表面電極の全体を覆う湿潤シンター層を乾燥させた後の状態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。
上記製造方法は、半導体ダイと基板電極又はリードフレームとが、焼結シンター層で接合された半導体装置を製造する方法である。

【0015】

上記半導体装置１は、例えば、図１に示すように、半導体ダイ２と基板電極４とで、焼結シンター層３を挟んだ構造をしており、半導体ダイ２と基板電極４とが焼結シンター層３で接合されている。

【0016】

本発明の製造方法は、半導体ダイ２と基板電極４との両方に溶剤を含有するシンター材を塗布して湿潤シンター層５を形成し、これらを乾燥させて２つの乾燥シンター層６を形成する。そして、半導体ダイの乾燥シンター層６ａと基板電極の乾燥シンター層６ｂとを重ね合わせ、焼結して一体化した焼結シンター層３を形成する。

【0017】

このように、本発明の製造方法では、溶剤を含有する湿潤シンター層５を乾燥させ、上記溶剤を揮発させた乾燥シンター層６を形成した後に、基板電極４と半導体ダイ２とを積層するので、湿潤シンター層５の上面が覆われず、上記溶剤の放出経路が塞がれることがない。したがって、上記溶剤の揮発に起因するボイドの発生が防止される。

【0018】

加えて、上記のようにボイドの発生を防止できるため、焼結の際に加圧して揮発した溶剤の蒸気を押し出す必要がないので、無加圧又は１Ｍｐａ未満の低加圧状態で焼結することができ、半導体ダイ２や基板電極４などの割れの発生を防止できる。

【0019】

また、湿潤シンター層５は、その厚さが厚くなれば、溶剤が揮発し難く、乾燥シンター層６中に溶剤が残留し易くなるので湿潤シンター層４の厚さをあまり厚くすることはできない。

【0020】

本発明においては、半導体ダイ２と基板電極４との両方に溶剤を含有するシンター材を塗布するので、半導体ダイ２又は基板電極４の一方のみに湿潤シンター層５を形成する場合に比べて２倍の厚さの焼結シンター層３を形成することができる。

【0021】

焼結シンター層３は、半導体ダイ２と基板電極４との熱膨張係数の差による応力を緩和するので、焼結シンター層３の厚さを厚くして熱疲労寿命を向上させることが可能である。焼結シンター層３の厚さは、５０μｍ～２００μｍであることが好ましい。

【0022】

また、図２に示すように、基板電極の乾燥シンター層６ｂは凹部６１を有し、半導体ダイの乾燥シンター層６ａは上記凹部６１に嵌合してぴったりと入り込む形状をしている。そして、図３に示すように、基板電極の乾燥シンター層６ｂと半導体ダイの乾燥シンター層６ａとを重ね合わせ、基板電極の乾燥シンター層の凹部６１に半導体ダイの乾燥シンター層６ａを嵌合させる。

【0023】

このため、搬送などによる振動が加わっても、乾燥シンター層６同士の接触面で位置ズレが生じることがない。
また、焼結前の乾燥シンター層は活性度が高いので、これらの層間にある程度の隙間が生じたとしても、焼結によりこの隙間を埋めてしっかりと接合するため、２つの乾燥シンター層６ａ、６ｂが一体化して焼結シンター層３が形成され、基板電極４と半導体ダイ２とが強固に接合されるので、半導体駆動時の発熱などによる熱応力による界面剥離を防止できる。

【0024】

なお、半導体ダイ２や基板電極４に、タック性を有する湿潤シンター層５を形成するため、乾燥させた後にも、半導体ダイ２と乾燥シンター層６ａとの界面や、基板電極４と乾燥シンター層６ｂとの界面にタック性が維持され、これらの界面での界面剥離も防止される。

【0025】

上記乾燥シンター層の凹部６１の深さは、１０μｍ以上であることが好ましい。
凹部の深さが１０μｍ以上であることで、振動などの外力に抗して位置ズレを防止できる。

【0026】

乾燥シンター層の凹部６１の深さは、基板電極４に塗布する湿潤シンター層５の凹部５１とその周囲との厚さの差により調節できる。上記湿潤シンター層の凹部５１とその周囲との厚さの差は、金属粒子と溶剤との体積比にもよるが、２０μｍ以上であることが好ましい。

【0027】

上記湿潤シンター材の金属粒子と溶剤との体積比（金属粒子／溶剤）は、金属粒子の平均粒径や溶剤の種類にもよるが、３５／６５～６５／３５であることが好ましい。

【0028】

上記金属粒子としては、銀、銅、ニッケルなどの粒子を挙げることができる。
金属粒子は粒径が小さくなるほど体積当たりの表面積が広く活性であるので、低温での焼結が可能になる一方で凝集し易くなるため、平均粒径が１～１０μｍのマイクロ粒子と、平均粒径が５０～５００ｎｍのナノ粒子とを混合して用いることが好ましい。
上記金属粒子は、酸化防止や分散性を向上させる表面処理がされていてもよい。

【0029】

上記溶剤としては、シンター材に用いられる従来公知の溶剤を使用することができ、例えば、エチレングリコールなどのアルコール系有機溶媒を使用できる。

【0030】

上記基板電極４は、基板表面に焼結シンター層３が接合可能な、金や銀などの膜が形成された、銅などの金属で成る金属基板や、セラミック基板に銅電極などを形成したものを使用できる。

【0031】

また、上記半導体ダイ２は、焼結シンター層３と接続する面の最表面に金や銀などの表面電極２１が形成されたＩｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）、Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＭＯＳ－ＦＥＴ）などのパワー半導体を挙げることができる。

【0032】

なお、基板電極４と半導体ダイ２とを接合する場合を例に説明したが、リードフレーム７と半導体ダイ２とを接合する場合も同様である。

【0033】

（第１の実施形態）
平面状の基板電極４と半導体ダイ２とを接合する場合について説明する。
第１の実施形態では、図４に示すように、上記基板電極４の一方の表面に、溶剤を含有するシンター材を塗布し、凹部５１を有する湿潤シンター層５を形成する。

【0034】

上記凹部５１を有する湿潤シンター層５は、例えば、図５に示すような、凹部５１を形成する箇所にスクリーン印刷用メッシュ部９１を有し、その周囲にマスク開口部９２を有する印刷用マスク９を用いて形成できる。

【0035】

この印刷用マスクで９は、スクリーン印刷用メッシュ部９１では溶剤を含有するシンター材の通過量が規制され、マスク開口部９２では規制されないので、メッシュ部９１と開口部９２とで溶剤を含有するシンター材の塗布量に差が生じて凹部５１を有する湿潤シンター層５を形成できる。

【0036】

また、図６に示すように、凹部５１の底部５２となる部分を塗布した後、ディスペンス１０を用いてその周囲を取り囲み、上記底部５２よりも厚くなるように塗布することでも形成可能である。

【0037】

そして、湿潤シンター層５を加熱乾燥させ、湿潤シンター層中の溶剤を揮発させることで凹部６１を有する乾燥シンター層６を形成できる。湿潤シンター層５を乾燥するときの温度は、使用する溶剤にもよるが１３０℃～１８０℃程度である。

【0038】

また、半導体ダイ２には、上記基板電極４に形成した乾燥シンター層６ｂの凹部６１にぴったりと入り込み隙間が生じないように、乾燥シンター層６ａが上記凹部６１の深さと同程度になるように膜厚を調整した湿潤シンター層５ａを形成し、加熱乾燥して上記凹部６１に嵌合する乾燥シンター層６ａを形成する。

【0039】

次に、図３に示すように、基板電極の乾燥シンター層６ｂと半導体ダイの乾燥シンター層６ａとを向かい合わせに重ね、基板電極の乾燥シンター層の凹部６１に、半導体ダイの乾燥シンター層６ａをはめこみ、焼結して基板電極の乾燥シンター層６ｂと半導体ダイの乾燥シンター層６ａとを一体化させ、図１に示す半導体装置１を製造する。

【0040】

（第２の実施形態）
凹部４１を形成した基板電極４と半導体ダイ２とを接合する場合について説明する。
第２の実施形態で用いる基板電極４は、図７に示すように、半導体ダイ２との接合範囲の内側に半導体ダイ２の外形よりも小さな凹部４１を有する。この凹部４１は、プレス加工やエッチングなどの従来公知の方法で形成することができる。

【0041】

そして、図７に示すように、基板電極４に対して、印刷用マスクなどを使い、基板電極４の凹部４１及びその周囲に溶剤を含有するシンター材を塗布し、基板電極４側に凸部を有する湿潤シンター層５ｂを形成する。

【0042】

なお、図７においては、半導体ダイ２との接合面側が平面状の湿潤シンター層５ｂを示したが、第１の実施形態と同様な方法により半導体ダイ２との接合面側に凹部５１を形成することもできる。半導体ダイ２との接合面側に凹部５１を形成することで、基板電極４に形成する凹部４１の深さを浅くすることができ、基板電極４の強度を確保できる。

【0043】

この湿潤シンター層５ｂを加熱乾燥することで、図８に示すように、半導体ダイ２との接合面側に凹部５１を有する乾燥シンター層６ｂを形成できる。

【0044】

そして、図９に示すように、基板電極の乾燥シンター６ｂと半導体ダイの乾燥シンター層６ａとを向かい合わせに重ね、基板電極の乾燥シンター層の凹部６１に、半導体ダイの乾燥シンター層６ａをはめこみ、焼結することで半導体装置１を製造する。

【0045】

（第３の実施形態）
半導体ダイ２と焼結シンター層３との接合面に合金補強層を形成する場合について説明する。

【0046】

第３の実施形態では、半導体ダイ２と基板電極４の熱膨張係数の差によって発生する熱応力が最も掛かる半導体ダイ２の角部を補強する。

【0047】

上記第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に基板電極４に形成した湿潤シンター層５ｂの上面に、図１０に示すように半導体ダイ２の角部に掛かるようＳｎ系ペレット状はんだ８を乗せる。

【0048】

そして、湿潤シンター層５ｂを加熱乾燥させた後、図１１に示すように基板電極の乾燥シンター層６ｂと半導体ダイの乾燥シンター層６ａとを向かい合わせに重ね、基板電極の乾燥シンター層の凹部６１に、半導体ダイの乾燥シンター層６ａをはめこみ、Ｓｎ系はんだの融点以上の温度で焼結することで半導体装置１を製造する。

【0049】

焼結により、はんだ内のＳｎ成分は、シンター材がＡｇである場合はＡｇ_３Ｓｎを形成し、Ｃｕである場合はＣｕ_６Ｓｎ_５、Ｎｉである場合はＮｉ_３Ｓｎ_４を形成する。これらの合金は強固であるので、半導体ダイ２と焼結シンター層３との接合面の角部からの剥離を防止できる。

【0050】

上記Ｓｎ系はんだとしては、Ｓｎ単体の他、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだや、Ｓｎ－Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだを使用できる。

【0051】

（第４の実施形態）
半導体ダイ２とリードフレーム７とを接合する場合について説明する。
半導体ダイ２とリードフレーム６とを接合した半導体装置１の断面図を図１２に示す。

【0052】

この半導体装置１は、半導体ダイ２がリードフレーム側にＡｌやＮｉで形成された表面電極２１を有し、この表面電極２１によって半導体ダイ２に凸部が形成されている。

【0053】

この半導体ダイ２の表面電極２１の全体を覆うように溶剤を含有するシンター材を塗布し、図１３に示すように、上記凸部と該凸部の周囲とで上記凸部が薄い湿潤シンター層５ａを形成する。

【0054】

そして、湿潤シンター層５ａを乾燥させると図１４に示すように、半導体ダイ２上に凸部を有する乾燥シンター層６ａを形成できる。

【0055】

一方、リードフレーム７にも、上記第１の実施形態や第２の実施形態と同様にして凹部６１を有する乾燥シンター層６ｃを形成する。

【0056】

そして、リードフレーム７の乾燥シンター層６ｃと半導体ダイの乾燥シンター層６ａとを向かい合わせに重ね、リードフレームの乾燥シンター層６ｃの凹部に、半導体ダイの乾燥シンター層６ａの凸部をはめこみ、焼結することで半導体装置を製造する。

【0057】

また、図１２に示すように、半導体ダイ２の下面はダイボンディング層１１によって基板電極４と接合している。このダイボンディング層１０を第１の実施形態又は第２の実施形態により形成することで、半導体ダイ２とリードフレーム７及び半導体ダイ２と基板電極４とを一括で焼結し、接合することで半導体装置１を製造できる。

【符号の説明】

【0058】

１ 半導体装置
２ 半導体ダイ
２１ 表面電極
３ 焼結シンター層
４ 基板電極
４１ 凹部
５ 湿潤シンター層
５１ 凹部
５２ 底
６ 乾燥シンター層
６１ 凹部
７ リードフレーム
８ 合金補強層
８１ ペレット状はんだ
９ 印刷用マスク
９１ メッシュ部
９２ マスク開口部
１０ ディスペンス
１１ ダイボンディング層

【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14】