特開 2024-134749 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

(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】P2024134749

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/28 20060101AFI20240927BHJP

   H01L 21/288 20060101ALI20240927BHJP

   H01L 21/3205 20060101ALI20240927BHJP

   C23C 18/16 20060101ALI20240927BHJP

   C23C 18/52 20060101ALI20240927BHJP

   C23C 18/18 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01L21/28 301R

H01L21/288 E

H01L21/88 T

H01L21/88 R

C23C18/16 B

C23C18/52 B

C23C18/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045097

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】上野 隆二

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 幹人

(72)【発明者】

【氏名】前川 佑樹

(72)【発明者】

【氏名】三好 啓友

【テーマコード（参考）】

4K022

4M104

5F033

【Ｆターム（参考）】

4K022AA05

4K022BA14

4K022BA25

4K022BA36

4K022DA01

4K022DA03

4M104AA01

4M104AA03

4M104AA04

4M104BB02

4M104BB03

4M104CC01

4M104DD37

4M104DD53

4M104DD64

4M104DD81

4M104EE18

4M104FF02

4M104GG03

4M104GG06

4M104GG09

4M104GG18

4M104HH12

5F033HH07

5F033HH08

5F033HH09

5F033HH13

5F033HH18

5F033MM08

5F033PP15

5F033PP28

5F033QQ19

5F033QQ96

5F033RR22

5F033VV07

5F033XX01

(57)【要約】

【課題】電極上の金属層における外観ムラが軽減する半導体装置の提供を目的とする。
【解決手段】半導体装置１０１は、半導体基板１、表面電極２、第１金属層３および第２金属層４を備える。表面電極２は、Ａｌを含む。表面電極２は、半導体基板１の表面に設けられている。第１金属層３は、Ｎｉを含む。第１金属層３は、表面電極２上に設けられている。第２金属層４は、Ｎｉを含む。第２金属層４は、第１金属層３上に設けられている。第１金属層３の表面粗さは、第２金属層４の表面粗さよりも大きい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、
Ａｌを含み、前記半導体基板の表面に設けられた表面電極と、
Ｎｉを含み、前記表面電極上に設けられた第１金属層と、
Ｎｉを含み、前記第１金属層上に設けられた第２金属層と、を備え、
前記第１金属層の表面粗さは、前記第２金属層の表面粗さよりも大きい、半導体装置。

【請求項2】

前記第２金属層よりも貴な金属を含み、前記第２金属層上に設けられた表面側貴金属膜を、さらに備える請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

Ａｌを含み、前記半導体基板の裏面に設けられた裏面電極と、
Ｎｉを含み、前記裏面電極上に設けられた第３金属層と、
Ｎｉを含み、前記第３金属層上に設けられた第４金属層と、をさらに備え、
前記第３金属層の表面粗さは、前記第４金属層の表面粗さよりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第４金属層よりも貴な金属を含み、前記第４金属層上に設けられた裏面側貴金属膜を、さらに備える、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第３金属層の組成は、前記第１金属層の組成と同じであり、
前記第４金属層の組成は、前記第２金属層の組成と同じである、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項6】

請求項１に記載の半導体装置を含み、電源から入力される電力を変換して負荷に出力する主変換回路と、
前記半導体装置を駆動するための駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、を備える電力変換装置。

【請求項7】

半導体基板の表面に、Ａｌを含む表面電極を形成する工程と、
前記表面電極上に、Ｎｉを含む第１金属層を形成する工程と、
前記第１金属層上に、Ｎｉを含む第２金属層を形成する工程と、を備え、
前記第１金属層の表面粗さは、前記第２金属層の表面粗さよりも大きい、半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記第１金属層および前記第２金属層は、無電解めっき法によって形成され、
前記第１金属層を形成する前記工程におけるめっき液の撹拌速度は、前記第２金属層を形成する前記工程における前記めっき液の撹拌速度よりも速い、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記第２金属層上に、前記第２金属層よりも貴な金属を含む表面側貴金属膜を形成する工程をさらに備える、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記半導体基板の裏面に、Ａｌを含む裏面電極を形成する工程と、
前記裏面電極上に、Ｎｉを含む第３金属層を形成する工程と、
前記第３金属層上に、Ｎｉを含む第４金属層を形成する工程と、を備え、
前記第３金属層の表面粗さは、前記第４金属層の表面粗さよりも大きい、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項11】

前記第３金属層および前記第４金属層は、無電解めっき法によって形成され、
前記第３金属層を形成する前記工程におけるめっき液の撹拌速度は、前記第４金属層を形成する前記工程における前記めっき液の撹拌速度よりも速い、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項12】

前記第４金属層上に、前記第４金属層よりも貴な金属を含む裏面側貴金属膜を形成する工程をさらに備える、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項13】

前記第１金属層、前記第２金属層、前記第３金属層および前記第４金属層は、無電解めっき法によって形成され、
前記第３金属層を形成する前記工程は、前記第１金属層を形成する前記工程と、同時に実行され、
前記第４金属層を形成する前記工程は、前記第２金属層を形成する前記工程と、同時に実行され、
前記第１金属層を形成する前記工程および前記第３金属層を形成する前記工程におけるめっき液の撹拌速度は、前記第２金属層を形成する前記工程および前記第４金属層を形成する前記工程における前記めっき液の撹拌速度よりも速い、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置の電極は、その半導体装置の仕様によって、金属ワイヤ、回路パターン、金属板など様々な接合対象物に接合される。その電極と接合対象物との優れた接合状態を実現するためには、はんだ接合に優れた例えばＮｉ／Ａｕ層が用いられる。Ｎｉ層は、はんだ接合時にはんだに喰われて減少するため、半導体装置の電極に厚膜のＮｉ含有金属層が形成されていることが必要である。そのような厚膜のＮｉ含有金属層は、一般的にめっき法によって形成される。特許文献１には、半導体装置とは技術分野が異なるものの、蓄電装置におけるＮｉ層を形成するための電解メッキ法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１９／１１１５５６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１を適用した厚膜のＮｉ含有金属層の表面状態は、外観ムラを生ずる場合がある。半導体装置の電極の形成工程において、その厚膜の電極に外観ムラが生じた場合には、その後の工程における歩留まりが悪化する可能性がある。

【0005】

本開示は、上記の課題を解決するため、電極上のＮｉ含有金属層における外観ムラが軽減する半導体装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る半導体装置は、半導体基板、表面電極、第１金属層および第２金属層を備える。表面電極は、Ａｌを含む。表面電極は、半導体基板の表面に設けられている。第１金属層は、Ｎｉを含む。第１金属層は、表面電極上に設けられている。第２金属層は、Ｎｉを含む。第２金属層は、第１金属層上に設けられている。第１金属層の表面粗さは、第２金属層の表面粗さよりも大きい。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、電極上のＮｉ含有金属層における外観ムラが軽減する半導体装置が提供される。

【0008】

本開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図2】半導体装置の構成を示す拡大断面図である。

【図3】実施の形態１における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

【図4】実施の形態１の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図5】実施の形態１の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図6】実施の形態１の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図7】実施の形態１の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図8】半導体装置の製造方法における詳細なプロセスレシピを示す図である。

【図9】実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図10】半導体装置の構成を示す拡大断面図である。

【図11】実施の形態２における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

【図12】実施の形態２の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図13】実施の形態２の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図14】実施の形態２の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図15】実施の形態２の製造工程における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図16】半導体装置の製造方法における詳細なプロセスレシピを示す図である。

【図17】実施の形態３における電力変換システムの構成を示す機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における半導体装置１０１の構成を示す断面図である。図２は、半導体装置１０１の構成を示す拡大断面図である。半導体装置１０１は、半導体基板１、表面電極２、第１金属層３、第２金属層４、表面側貴金属膜５、保護膜６および裏面電極７を含む。

【0011】

半導体基板１は、半導体ウエハとも言う。半導体基板１には、半導体素子（図示せず）が形成されている。その半導体素子は、表面素子領域１Ａおよび裏面拡散領域１Ｂを含む。表面素子領域１Ａは、半導体基板１の表面側の表層に形成されている。裏面拡散領域１Ｂは、半導体基板１の裏面側の表層に形成されている。実施の形態１における半導体素子は、その表面素子領域１Ａと裏面拡散領域１Ｂとの間に電流が流れる縦型の半導体素子である。

【0012】

半導体素子は、例えば、Ｓｉ等の半導体によって、または、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ダイヤモンド等のいわゆるワイドバンドギャップ半導体によって形成されている。半導体素子は、パワー半導体素子、そのパワー半導体素子を制御するための制御ＩＣ（Integrated Circuit）に含まれる素子等である。半導体素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ショットキーバリアダイオード等である。または、半導体素子は、ＩＧＢＴおよび還流ダイオードが１つの半導体基板１内に形成されたＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting IGBT）であってもよい。

【0013】

表面電極２は、表面素子領域１Ａ上に、つまり半導体基板１の表面に設けられている。表面電極２は、Ａｌを含む。表面電極２は、例えば、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕなどを含むＡｌ合金層である。

【0014】

第１金属層３は、表面電極２上に設けられている。第１金属層３は、Ｎｉを含む。第１金属層３は、例えば、無電解めっき法によって形成される。実施の形態１における第１金属層３は、無電解Ｎｉめっき層である。

【0015】

第２金属層４は、第１金属層３上に設けられている。第２金属層４は、Ｎｉを含む。第２金属層４は、例えば、無電解めっき法によって形成される。実施の形態１における第２金属層４は、無電解Ｎｉめっき層である。

【0016】

第１金属層３の表面粗さは、第２金属層４の表面粗さよりも大きい。表面粗さは、例えば、接触式または非接触式の計測機器によって測定される。表面粗さは、例えば、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）、光干渉計などによって測定される。

【0017】

表面側貴金属膜５は、第２金属層４上に設けられている。表面側貴金属膜５は、第２金属層４よりも貴な金属を含む。実施の形態１における表面側貴金属膜５は、Ａｕを含む。表面側貴金属膜５の厚みは、例えば、第１金属層３および第２金属層４の厚みよりも薄い。表面側貴金属膜５は、第２金属層４の酸化を防止する。後述するように、表面側貴金属膜５は、例えば、無電解めっき法によって形成される。実施の形態１における表面側貴金属膜５は、無電解Ａｕめっき膜である。

【0018】

保護膜６は、表面電極２の縁を覆うように設けられている。保護膜６は、例えば、ポリイミドで形成されている。

【0019】

裏面電極７は、裏面拡散領域１Ｂ上に、つまり半導体基板１の裏面に設けられている。実施の形態１における裏面電極７は、Ａｌ合金層、Ｔｉ層、Ｎｉ層およびＡｕ層が順に積層された構造を有する。Ａｌ合金層は、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕなどを含む。Ａｌ合金層は、裏面電極７と半導体基板１との接合性を向上させる。Ｔｉ層は、バリアメタルとして機能する。Ｎｉ層およびＡｕ層は、半導体装置１０１に接続される配線（図示せず）または配線のための接合材（図示せず）との良好な接合性を得るために設けられる。接合材は、例えばはんだである。

【0020】

図３は、実施の形態１における半導体装置１０１の製造方法を示すフローチャートである。図４から図７は、実施の形態１の製造工程における半導体装置１０１の構成を示す断面図である。

【0021】

ステップＳ１１において、表面素子領域１Ａが形成される。図４に示されるように、表面素子領域１Ａは、半導体基板１の表面側の表層に形成される。

【0022】

ステップＳ１２において、半導体基板１の表面に表面電極２が形成される。図４に示されるように、表面電極２は、表面素子領域１Ａ上の予め定められた領域に形成される。表面電極２は、スパッタ法によって形成される。実施の形態１における表面電極２は、Ａｌ合金層である。

【0023】

ステップＳ１３において、保護膜６が形成される。図５に示されるように、保護膜６は、表面電極２の縁を覆うように形成される。保護膜６は、ポリイミドで形成される。

【0024】

ステップＳ１４において、半導体基板１の裏面が機械研削され、半導体基板１が薄厚化される。その機械研削によって、半導体基板１の裏面には欠陥層が生じる。その欠陥層を除去するため、半導体基板１の裏面における５～２０μｍの厚みの半導体層がウェットエッチングされる。半導体基板１は、予め定められた厚みに薄厚化される。

【0025】

ステップＳ１５において、裏面拡散領域１Ｂが形成される。図６に示されるように、裏面拡散領域１Ｂは、半導体基板１の裏面側の表層に形成される。

【0026】

ステップＳ１６において、裏面電極７が形成される。図６に示されるように、裏面電極７は、裏面拡散領域１Ｂ上につまり半導体基板１の裏面に形成される。裏面電極７は、スパッタ法によって形成される。ここでは、裏面電極７として、Ａｌ合金層、Ｔｉ層、Ｎｉ層およびＡｕ層が順に成膜される。

【0027】

ステップＳ１７において、裏面電極７が保護材（図示せず）で覆われる。保護材は、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルムである。実施の形態１における第１金属層３、第２金属層４および表面側貴金属膜５は、後述するように無電解めっき法によって形成される。保護材は、その無電解めっき法で使用されるめっき液などの薬液から裏面電極７を保護する。

【0028】

ステップＳ１８において、表面電極２の表面が酸素プラズマでクリーニングされる。この酸素プラズマクリーニング処理によって、表面電極２に付着した有機物の残渣が酸化され分解される。後述する無電解めっき法の前処理では除去できないような強固な残渣も除去される。表面電極２の全体が清浄化されることで、表面電極２とめっき液との濡れ性が向上し、均一な置換反応が促進される。その結果、表面電極２との密着性が良好な第１金属層３の形成が可能となる。

【0029】

ステップＳ１９において、第１金属層３および第２金属層４が形成される。図７に示されるように、第１金属層３は表面電極２上に形成され、第２金属層４はその第１金属層３上に形成される。第１金属層３および第２金属層４は、無電解めっき法によって形成される。第１金属層３および第２金属層４は、Ｎｉを含む無電解Ｎｉめっき層であり、ジンケート法で形成される。ジンケート法では、表面電極２の表層のＡｌがＺｎで置換され、Ｚｎがその表層に析出する。さらに、そのＺｎを起点にＮｉを含むめっき層が形成される。以下、ジンケート法の手順を説明する。

【0030】

キャリアに設置された半導体基板１をアルカリ性の脱脂液に浸漬させる。表面電極２に付着していた油脂および有機物が除去される。

【0031】

酸洗浄が実施される。酸洗浄は、表面電極２の表層に形成されている酸化物を除去するとともに、表面電極２の表面を荒らす。これにより、酸洗浄の後に実行されるジンケート処理における反応性が高まり、ひいては表面電極２と第１金属層３との密着性が向上する。

【0032】

半導体基板１をアルカリ性のジンケート処理液に浸漬させる。Ｚｎの標準酸化還元電位がＡｌよりも貴であることにより、表面電極２の表層のＡｌがＺｎに置換され、Ｚｎがその表層に析出する。その後、半導体基板１を硝酸に浸漬させる。表面電極２上に析出したＺｎは、その硝酸によって除去される。その後、再び、半導体基板１をアルカリ性のジンケート処理液に浸漬させる。表面電極２の表層のＡｌがＺｎに置換され、Ｚｎがその表層に析出する。ジンケート処理を繰り返すことによって、表面電極２の表面には緻密なＺｎ膜が形成される。そのような緻密なＺｎ膜は、Ｚｎを起点に形成されるＮｉめっき膜と表面電極２との密着性を向上させる。このジンケート処理の繰り返し回数は、２回以上であることが好ましいが、生産性を考慮し多くとも３回が好ましい。

【0033】

第１金属層３を形成するため、半導体基板１を酸性の無電解Ｎｉめっき液に浸漬させる。その第１金属層３の形成時における無電解Ｎｉめっき液の循環流量は、５０Ｌ／ｍｉｎである。まず、表面電極２の表層のＺｎがＮｉに置換され、Ｎｉがその表層に析出する。その後、無電解Ｎｉめっき液中に含まれている還元剤によってＮｉが連続的に析出し、Ｎｉ層の厚みが増加する。これにより、第１金属層３が形成される。第１金属層３の厚みは、０．５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

【0034】

第２金属層４は、第１金属層３と同様の処理で形成されるが、無電解Ｎｉめっき液の撹拌速度が第１金属層３の形成時の撹拌速度とは異なる。第２金属層４の形成時における無電解Ｎｉめっき液の循環流量は、２５Ｌ／ｍｉｎである。無電解Ｎｉめっき液中に含まれている還元剤によってＮｉが連続的に析出し、第２金属層４が形成される。第２金属層４の厚みは、１．５μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。

【0035】

上記のように、第１金属層３を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度は、第２金属層４を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度よりも速い。

【0036】

第１金属層３および第２金属層４の合計の厚みは、半導体基板１に加わる膜応力なども考慮し、２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。第１金属層３および第２金属層４の形成後、半導体基板１は水洗される。

【0037】

ステップＳ２０において、表面側貴金属膜５が形成される。図７に示されるように、表面側貴金属膜５は、第２金属層４上に形成される。表面側貴金属膜５は、無電解めっき法で形成される。表面側貴金属膜５は、Ａｕを含む無電解Ａｕめっき膜である。このステップＳ２０においては、半導体基板１を無電解Ａｕめっき液に浸漬させる。これにより、第２金属層４上にＡｕが連続的に析出し、表面側貴金属膜５が形成される。表面側貴金属膜５の厚みは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。表面側貴金属膜５の形成後、半導体基板１は水洗される。

【0038】

ステップＳ２１において、裏面電極７を覆っていた保護材が剥離される。以上のステップＳ１１からＳ２１が、実施の形態１における半導体装置１０１の製造方法である。

【0039】

この製造方法においては、上記のように、第１金属層３を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度は、第２金属層４を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度よりも速い。このような処理により、第２金属層４の表面粗さよりも大きい表面粗さを有する第１金属層３が形成される。

【0040】

図８は、半導体装置１０１の製造方法における詳細なプロセスレシピを示す図である。このようなプロセスレシピで半導体装置１０１を製造した結果、第１金属層３の表面粗さは８６．２ｎｍであり、第２金属層４の表面粗さは５３．２ｎｍであった。表面側貴金属膜５の上方からの外観検査において、外観ムラが軽減されていることが確認された。

【0041】

以上をまとめると、実施の形態１における半導体装置１０１は、半導体基板１、表面電極２、第１金属層３および第２金属層４を備える。表面電極２は、Ａｌを含む。表面電極２は、半導体基板１の表面に設けられている。第１金属層３は、Ｎｉを含む。第１金属層３は、表面電極２上に設けられている。第２金属層４は、Ｎｉを含む。第２金属層４は、第１金属層３上に設けられている。第１金属層３の表面粗さは、第２金属層４の表面粗さよりも大きい。

【0042】

このような半導体装置１０１においては、表面電極２上の第２金属層４の外観ムラが軽減する。これは、例えば、下地の表面電極２の配向の影響またはグレインサイズの影響が緩和されるからである。めっき処理工程後の外観検査工程にいて、視認性不具合およびそれに伴う検査エラーの頻度が低減する。そのため、工期の遅延、擬似欠陥による歩留まり低下が避けられる。

【0043】

また、第１金属層３を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度は、第２金属層４を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度よりも速い。これにより第２金属層４の表面の凹凸を第１金属層３に対し抑制することができる。第１金属層３の形成時のめっき液の循環流量と第２金属層４の形成時のめっき液の循環流量との差は、少なくとも１倍より大きいことが好ましい。特に、循環流量の差が２倍以上である場合に、外観ムラが顕著に改善される。めっき液の撹拌速度の差は、めっき液の循環流量による制御に限定されるものではなく、例えば、半導体基板１が収納されたキャリアの揺動速度による制御であってもよい。

【0044】

攪拌とは、ポンプによるめっき槽内のめっき液の循環動作、または半導体基板１が収納されているキャリアの揺動動作を示す。キャリアの揺動動作において、キャリアは一定方向に揺れるため、めっき液の振幅等の制御が難しい。一方で、ポンプによる循環動作は、めっき液がめっき槽内で一方向に回転するような流れを形成する。そのため、めっき液の制御が容易であり、攪拌速度も調整しやすい。つまり、キャリアの揺動動作によってめっき液の流れを制御するよりも、ポンプによる循環動作によってめっき液の流れを制御する方が、攪拌速度を調整しやすい。

【0045】

また、第２金属層４上にＡｕを含む表面側貴金属膜５が設けられていることにより、接合対象物との優れた接合性が得られる。接合対象物とは、半導体素子に外部から電流を流すための金属ワイヤ、回路パターン、金属板などである。

【0046】

半導体基板１の表面と裏面との間に電流が流れる縦型の半導体装置１０１においては、表面電極２には金属ワイヤが接合され、裏面電極７には接合材を介して回路基板が接合される。さらなる低コスト化および放熱性向上のため、表面電極２も接合材を介して金属板等に接合される構成が用いられつつある。そのような構成には、表面電極２として、接合性に優れたＮｉ／Ａｕ層が必要である。また、良好な接合性を実現するためには、２μｍ以上の厚膜のＮｉ層が必要である。厚さ２μｍ以上のＮｉ層の形成には、無電解めっき法が好ましい。無電解めっき法によれば、低コストかつパターニングも容易なＮｉ層の形成が可能である。

【0047】

＜実施の形態２＞
図９は、実施の形態２における半導体装置１０２の構成を示す断面図である。図１０は、半導体装置１０２の構成を示す拡大断面図である。半導体装置１０２は、半導体基板１、表面電極２、第１金属層３、第２金属層４、表面側貴金属膜５、保護膜６、裏面電極８、第３金属層９、第４金属層１０および裏面側貴金属膜１１を含む。

【0048】

実施の形態２における半導体基板１、表面電極２、第１金属層３、第２金属層４、表面側貴金属膜５および保護膜６の構成は、実施の形態１におけるそれらと同じである。

【0049】

裏面電極８は、裏面拡散領域１Ｂ上に、つまり半導体基板１の裏面に設けられている。裏面電極８は、Ａｌを含む。実施の形態２における裏面電極８は、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕなどを含むＡｌ合金層である。

【0050】

第３金属層９は、裏面電極８上に設けられている。第３金属層９は、Ｎｉを含む。第３金属層９は、例えば、無電解めっき法によって形成される。実施の形態２における第３金属層９は、無電解Ｎｉめっき層である。

【0051】

第４金属層１０は、第３金属層９上に設けられている。第４金属層１０は、Ｎｉを含む。第４金属層１０は、例えば、無電解めっき法によって形成される。実施の形態２における第４金属層１０は、無電解Ｎｉめっき層である。

【0052】

第３金属層９の表面粗さは、第４金属層１０の表面粗さよりも大きい。第３金属層９の組成は、第１金属層３の組成と同じであり、第４金属層１０の組成は、第２金属層４の組成と同じである。

【0053】

裏面側貴金属膜１１は、第４金属層１０上に設けられている。裏面側貴金属膜１１は、第４金属層１０よりも貴な金属を含む。実施の形態２における裏面側貴金属膜１１は、Ａｕを含む。裏面側貴金属膜１１の厚みは、例えば、第３金属層９および第４金属層１０の厚みよりも薄い。裏面側貴金属膜１１は、第４金属層１０の酸化を防止する。後述するように、裏面側貴金属膜１１は、例えば、無電解めっき法によって形成される。実施の形態２における裏面側貴金属膜１１は、無電解Ａｕめっき膜である。

【0054】

図１１は、実施の形態２における半導体装置１０２の製造方法を示すフローチャートである。図１２から図１５は、実施の形態２の製造工程における半導体装置１０２の構成を示す断面図である。

【0055】

ステップＳ３１において、表面素子領域１Ａが形成される。図１２に示されるように、表面素子領域１Ａは、半導体基板１の表面側の表層に形成される。

【0056】

ステップＳ３２において、半導体基板１の表面に表面電極２が形成される。図１２に示されるように、表面電極２は、表面素子領域１Ａ上の予め定められた領域に形成される。表面電極２は、スパッタ法によって形成される。実施の形態２における表面電極２は、Ａｌ合金層である。

【0057】

ステップＳ３３において、保護膜６が形成される。図１３に示されるように、保護膜６は、表面電極２の縁を覆うように形成される。保護膜６は、ポリイミドで形成される。

【0058】

ステップＳ３４において、半導体基板１の裏面が機械研削され、半導体基板１が薄厚化される。その機械研削によって、半導体基板１の裏面には欠陥層が生じる。その欠陥層を除去するため、半導体基板１の裏面における５～２０μｍの厚みの半導体層がウェットエッチングされる。半導体基板１は、予め定められた厚みに薄厚化される。

【0059】

ステップＳ３５において、裏面拡散領域１Ｂが形成される。図１４に示されるように、裏面拡散領域１Ｂは、半導体基板１の裏面側の表層に形成される。

【0060】

ステップＳ３６において、裏面電極８が形成される。図１４に示されるように、裏面電極８は、裏面拡散領域１Ｂ上につまり半導体基板１の裏面に形成される。裏面電極８は、スパッタ法によって形成される。実施の形態２における裏面電極８は、ＡｌＳｉ，ＡｌＣｕ，ＡｌＳｉＣｕなどのＡｌ合金層である。

【0061】

ステップＳ３７において、表面電極２および裏面電極８の表面が酸素プラズマでクリーニングされる。この酸素プラズマクリーニング処理によって、表面電極２および裏面電極８に付着した有機物の残渣が酸化され分解される。後述する無電解めっき法の前処理では除去できないような強固な残渣も除去される。表面電極２および裏面電極８の全体が清浄化されることで、表面電極２とめっき液との濡れ性および裏面電極８とめっき液との濡れ性が向上し、均一な置換反応が促進される。その結果、表面電極２との密着性が良好な第１金属層３の形成、および、裏面電極８との密着性が良好な第３金属層９の形成が可能となる。

【0062】

ステップＳ３８において、第１金属層３、第２金属層４、第３金属層９および第４金属層１０が形成される。図１５に示されるように、第１金属層３は表面電極２上に形成され、第２金属層４はその第１金属層３上に形成される。第３金属層９は裏面電極８上に形成され、第４金属層１０はその第３金属層９上に形成される。第１金属層３、第２金属層４、第３金属層９および第４金属層１０は、無電解めっき法によって形成される。第１金属層３、第２金属層４、第３金属層９および第４金属層１０は、Ｎｉを含む無電解Ｎｉめっき層であり、ジンケート法で形成される。以下、ジンケート法の手順を説明する。

【0063】

キャリアに設置された半導体基板１をアルカリ性の脱脂液に浸漬させる。表面電極２および裏面電極８に付着していた油脂および有機物が除去される。

【0064】

酸洗浄が実施される。酸洗浄は、表面電極２および裏面電極８の表層に形成されている酸化物を除去するとともに、表面電極２および裏面電極８の表面を荒らす。これにより、酸洗浄の後に実行されるジンケート処理における反応性が高まり、ひいては表面電極２と第１金属層３との密着性および裏面電極８と第３金属層９との密着性が向上する。

【0065】

半導体基板１をアルカリ性のジンケート処理液に浸漬させる。表面電極２および裏面電極８の表層のＡｌがＺｎに置換され、Ｚｎがそれらの表層に析出する。その後、半導体基板１を硝酸に浸漬させる。表面電極２上および裏面電極８上に析出したＺｎは、その硝酸によって除去される。その後、再び、半導体基板１をアルカリ性のジンケート処理液に浸漬させる。表面電極２および裏面電極８の表層のＡｌがＺｎに置換され、Ｚｎがそれらの表層に析出する。ジンケート処理を繰り返すことによって、表面電極２および裏面電極８の表面には緻密なＺｎ膜が形成される。そのような緻密なＺｎ膜は、Ｚｎを起点に形成されるＮｉめっき膜と表面電極２との密着性およびＮｉめっき膜と裏面電極８との密着性を向上させる。このジンケート処理の繰り返し回数は、２回以上であることが好ましいが、生産性を考慮し多くとも３回が好ましい。

【0066】

第１金属層３および第３金属層９を形成するため、半導体基板１を酸性の無電解Ｎｉめっき液に浸漬させる。その第１金属層３および第３金属層９の形成時における無電解Ｎｉめっき液の循環流量は、５０Ｌ／ｍｉｎである。まず、表面電極２および裏面電極８の表層のＺｎがＮｉに置換され、Ｎｉがその表層に析出する。その後、無電解Ｎｉめっき液中に含まれている還元剤によってＮｉが連続的に析出し、Ｎｉ層の厚みが増加する。これにより、第１金属層３および第３金属層９が形成される。実施の形態２において、第３金属層９を形成する工程は、第１金属層３を形成する工程と、同時に実行される。つまり、第３金属層９の組成は、第１金属層３の組成と同じである。第１金属層３および第３金属層９の厚みは、０．５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

【0067】

次に、第２金属層４および第４金属層１０が形成される。第２金属層４および第４金属層１０の形成時における無電解Ｎｉめっき液の撹拌速度は、第１金属層３および第３金属層９の形成時における撹拌速度とは異なる。第２金属層４および第４金属層１０の形成時における無電解Ｎｉめっき液の循環流量は、２５Ｌ／ｍｉｎである。無電解Ｎｉめっき液中に含まれている還元剤によってＮｉが連続的に析出し、第２金属層４および第４金属層１０が形成される。実施の形態２において、第４金属層１０を形成する工程は、第２金属層４を形成する工程と、同時に実行される。つまり、第４金属層１０の組成は、第２金属層４の組成と同じである。第２金属層４および第４金属層１０の厚みは、１．５μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。

【0068】

上記のように、第１金属層３および第３金属層９を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度は、第２金属層４および第４金属層１０を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度よりも速い。

【0069】

第１金属層３および第２金属層４の合計の厚みは、半導体基板１に加わる膜応力なども考慮し、２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。同様に、第３金属層９および第４金属層１０の合計の厚みは、２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。第１金属層３、第２金属層４、第３金属層９および第４金属層１０の形成後、半導体基板１は水洗される。

【0070】

ステップＳ３９において、表面側貴金属膜５および裏面側貴金属膜１１が形成される。図１５に示されるように、表面側貴金属膜５は第２金属層４上に形成され、裏面側貴金属膜１１は第４金属層１０上に形成される。表面側貴金属膜５および裏面側貴金属膜１１は、無電解めっき法で形成される。表面側貴金属膜５および裏面側貴金属膜１１は、Ａｕを含む無電解Ａｕめっき膜である。このステップＳ３９においては、半導体基板１を無電解Ａｕめっき液に浸漬させる。これにより、第２金属層４上および第４金属層１０上にＡｕが連続的に析出し、表面側貴金属膜５および裏面側貴金属膜１１が形成される。表面側貴金属膜５および裏面側貴金属膜１１の厚みは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。表面側貴金属膜５および裏面側貴金属膜１１の形成後、半導体基板１は水洗される。以上のステップＳ３１からＳ３９が、実施の形態２における半導体装置１０２の製造方法である。

【0071】

この製造方法においては、上記のように、第１金属層３および第３金属層９を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度は、第２金属層４および第４金属層１０を形成する工程におけるめっき液の撹拌速度よりも速い。このような処理により、第２金属層４の表面粗さよりも大きい表面粗さを有する第１金属層３が形成される。同様に、第４金属層１０の表面粗さよりも大きい表面粗さを有する第３金属層９が形成される。

【0072】

図１６は、半導体装置１０２の製造方法における詳細なプロセスレシピを示す図である。表面側貴金属膜５の上方からの外観検査および裏面側貴金属膜１１の上方からの外観検査において、外観ムラが軽減していることが確認された。

【0073】

実施の形態２においては、半導体基板１の表面側の無電解Ｎｉめっき層と裏面側の無電解Ｎｉめっき層とは、同時に形成されたが、別々に形成されてもよい。例えば、半導体基板１の表面側の第１金属層３および第２金属層４が形成された後に、裏面側の第３金属層９および第４金属層１０が形成されてもよい。または、半導体基板１の裏面側の第３金属層９および第４金属層１０が形成された後に、表面側の第１金属層３および第２金属層４が形成されてもよい。

【0074】

＜実施の形態３＞
図１７は、実施の形態３における電力変換システムの構成を示す機能ブロック図である。

【0075】

電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００および負荷３００を含む。

【0076】

電源１００は、直流電源である。電源１００は、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池などである。電源１００は、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されていてもよい。電源１００は、交流系統に接続された整流回路、ＡＣ／ＤＣコンバータなどであってもよい。

【0077】

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００との間に接続されている。実施の形態３における電力変換装置２００は、三相インバータである。電力変換装置２００は、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換する。電力変換装置２００は、その交流電力を負荷３００に供給する。

【0078】

負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動する。実施の形態３における負荷３００は、三相電動機である。その三相電動機は、特定の用途に限定されるものではない。三相電動機は、様々な電気機器に搭載される。三相電動機は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、空調機器に搭載される。

【0079】

以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。電力変換装置２００は、主変換回路２０１、駆動回路２０２および制御回路２０３を含む。

【0080】

主変換回路２０１は、２レベルの三相フルブリッジ回路（図示せず）を含む。その三相フルブリッジ回路は、６つのスイッチング素子（図示せず）および６つの還流ダイオード（図示せず）を含む。

【0081】

それらスイッチング素子および還流ダイオードのうち少なくとも１つの素子が、実施の形態１または２に示された半導体素子に対応する。言い換えると、主変換回路２０１は、実施の形態１に示された半導体装置１０１または実施の形態２に示された半導体装置１０２を含む。

【0082】

三相フルブリッジ回路は、３つの上アームおよび３つの下アームを含む。上アームおよび下アームの各々は、１つのスイッチング素子と、そのスイッチング素子に逆並列に接続される１つの還流ダイオードとを含む。また、１つの上アームに含まれるスイッチング素子は、１つの下アームに含まれるスイッチング素子に直列に接続されており、それらは１組の上下アームを構成している。３組の上下アームは、三相フルブリッジ回路のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応している。３組の上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続されている。

【0083】

主変換回路２０１は、スイッチング素子のスイッチング動作によって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換する。主変換回路２０１は、出力端子を介して、その交流電力を負荷３００に供給する。

【0084】

駆動回路２０２は、制御回路２０３から出力される制御信号に従い、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する。駆動回路２０２は、その駆動信号を、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。

【0085】

駆動信号は、スイッチング素子をオン状態にするための信号、または、スイッチング素子をオフ状態にするための信号である。より詳細には、スイッチング素子がオン状態に維持される場合の駆動信号は、スイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）である。スイッチング素子がオフ状態に維持される場合の駆動信号は、スイッチング素子の閾値電圧よりも小さい電圧信号（オフ信号）である。

【0086】

制御回路２０３は、駆動回路２０２を制御するための制御信号を駆動回路２０２に出力する。その際、制御回路２０３は、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出して、制御信号を生成する。つまり、制御回路２０３は主変換回路２０１がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されるように制御信号を生成する。制御回路２０３は、駆動回路２０２がオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号を出力するように、制御信号を駆動回路２０２に出力する。このようにして、制御回路２０３は、負荷３００に所定の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。

【0087】

実施の形態３における主変換回路２０１には、実施の形態１に示された半導体装置１０１または実施の形態２に示された半導体装置１０２が適用されるため、電力変換装置２００の信頼性が向上する。

【0088】

実施の形態３においては、電力変換装置２００が２レベルの三相インバータである例が示されたが、電力変換装置２００の構成はそれに限定されるものではない。例えば、電力変換装置２００は、３レベルなどマルチレベルの電力変換装置であってもよい。または、電力変換装置２００は、単相負荷に電力を供給するための単相のインバータであってもよい。負荷３００が直流負荷である場合には、電力変換装置２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータあるいはＡＣ／ＤＣコンバータであってもよい。負荷３００が太陽光発電システム、蓄電システム等である場合には、電力変換装置２００はパワーコンディショナーであってもよい。

【0089】

実施の形態３においては、負荷３００が三相電動機である例が示されたが、負荷３００の構成はそれに限定されるものではない。例えば、負荷３００は、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、非接触式給電システムであってもよい。

【0090】

本開示は、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

【0091】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0092】

（付記１）
半導体基板と、
Ａｌを含み、前記半導体基板の表面に設けられた表面電極と、
Ｎｉを含み、前記表面電極上に設けられた第１金属層と、
Ｎｉを含み、前記第１金属層上に設けられた第２金属層と、を備え、
前記第１金属層の表面粗さは、前記第２金属層の表面粗さよりも大きい、半導体装置。

【0093】

（付記２）
前記第２金属層よりも貴な金属を含み、前記第２金属層上に設けられた表面側貴金属膜を、さらに備える付記１に記載の半導体装置。

【0094】

（付記３）
Ａｌを含み、前記半導体基板の裏面に設けられた裏面電極と、
Ｎｉを含み、前記裏面電極上に設けられた第３金属層と、
Ｎｉを含み、前記第３金属層上に設けられた第４金属層と、をさらに備え、
前記第３金属層の表面粗さは、前記第４金属層の表面粗さよりも大きい、付記１または付記２に記載の半導体装置。

【0095】

（付記４）
前記第４金属層よりも貴な金属を含み、前記第４金属層上に設けられた裏面側貴金属膜を、さらに備える、付記３に記載の半導体装置。

【0096】

（付記５）
前記第３金属層の組成は、前記第１金属層の組成と同じであり、
前記第４金属層の組成は、前記第２金属層の組成と同じである、付記３または付記４に記載の半導体装置。

【0097】

（付記６）
付記１から付記５のいずれかに記載の半導体装置を含み、電源から入力される電力を変換して負荷に出力する主変換回路と、
前記半導体装置を駆動するための駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御するための制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、を備える電力変換装置。

【0098】

（付記７）
半導体基板の表面に、Ａｌを含む表面電極を形成する工程と、
前記表面電極上に、Ｎｉを含む第１金属層を形成する工程と、
前記第１金属層上に、Ｎｉを含む第２金属層を形成する工程と、を備え、
前記第１金属層の表面粗さは、前記第２金属層の表面粗さよりも大きい、半導体装置の製造方法。

【0099】

（付記８）
前記第１金属層および前記第２金属層は、無電解めっき法によって形成され、
前記第１金属層を形成する前記工程におけるめっき液の撹拌速度は、前記第２金属層を形成する前記工程における前記めっき液の撹拌速度よりも速い、付記７に記載の半導体装置の製造方法。

【0100】

（付記９）
前記第２金属層上に、前記第２金属層よりも貴な金属を含む表面側貴金属膜を形成する工程をさらに備える、付記７または付記８に記載の半導体装置の製造方法。

【0101】

（付記１０）
前記半導体基板の裏面に、Ａｌを含む裏面電極を形成する工程と、
前記裏面電極上に、Ｎｉを含む第３金属層を形成する工程と、
前記第３金属層上に、Ｎｉを含む第４金属層を形成する工程と、を備え、
前記第３金属層の表面粗さは、前記第４金属層の表面粗さよりも大きい、付記７から付記９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

【0102】

（付記１１）
前記第３金属層および前記第４金属層は、無電解めっき法によって形成され、
前記第３金属層を形成する前記工程におけるめっき液の撹拌速度は、前記第４金属層を形成する前記工程における前記めっき液の撹拌速度よりも速い、付記１０に記載の半導体装置の製造方法。

【0103】

（付記１２）
前記第４金属層上に、前記第４金属層よりも貴な金属を含む裏面側貴金属膜を形成する工程をさらに備える、付記１０または付記１１に記載の半導体装置の製造方法。

【0104】

（付記１３）
前記第１金属層、前記第２金属層、前記第３金属層および前記第４金属層は、無電解めっき法によって形成され、
前記第３金属層を形成する前記工程は、前記第１金属層を形成する前記工程と、同時に実行され、
前記第４金属層を形成する前記工程は、前記第２金属層を形成する前記工程と、同時に実行され、
前記第１金属層を形成する前記工程および前記第３金属層を形成する前記工程におけるめっき液の撹拌速度は、前記第２金属層を形成する前記工程および前記第４金属層を形成する前記工程における前記めっき液の撹拌速度よりも速い、付記１０から付記１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

【符号の説明】

【0105】

１ 半導体基板、１Ａ 表面素子領域、１Ｂ 裏面拡散領域、２ 表面電極、３ 第１金属層、４ 第２金属層、５ 表面側貴金属膜、６ 保護膜、７ 裏面電極、８ 裏面電極、９ 第３金属層、１０ 第４金属層、１１ 裏面側貴金属膜、１００ 電源、１０１ 半導体装置、１０２ 半導体装置、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 駆動回路、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】