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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-30
(45)【発行日】2024-05-10
(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/52 20060101AFI20240501BHJP
B23K 35/26 20060101ALI20240501BHJP
B23K 1/00 20060101ALI20240501BHJP
C22C 13/00 20060101ALN20240501BHJP
【ＦＩ】
H01L21/52 B
B23K35/26 310A
H01L21/52 D
B23K1/00 330E
C22C13/00
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021048077
(22)【出願日】2021-03-23
(65)【公開番号】P2022147005
(43)【公開日】2022-10-06
【審査請求日】2023-07-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】長井 彰平
【審査官】佐藤 靖史
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０６５３０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０１３９５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１１５２６８（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／５２
Ｂ２３Ｋ ３５／２６
Ｂ２３Ｋ １／００
Ｃ２２Ｃ １３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板（２０）と、前記基板の法線方向で前記基板に対向している半導体素子（１０）と、
前記半導体素子を前記基板に接合するＳｎ系はんだ層（３０）と、
を備えており、
前記Ｓｎ系はんだ層に含まれるＳｎ結晶のＣ軸（３１）が、前記法線方向から見たときの前記Ｓｎ系はんだ層の中央部（３２）において前記法線と４５度より大きい角度で交差しており、前記中央部３２を囲む周辺部（３３）において前記法線と４５度以下の角度で交差している、または、前記法線と平行である、半導体装置。
【請求項2】
前記Ｃ軸は、前記中央部において前記法線と直交している、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
基板（２０）と、前記基板の法線方向で前記基板に対向している半導体素子（１０）と、
前記半導体素子を前記基板に接合するＳｎ系はんだ層（３０）と、
を備えている半導体装置の製造方法であり、
前記半導体素子と前記基板の間に配置されたＳｎ系はんだ材（３５）を熱して溶かす第１工程と、
溶融した前記Ｓｎ系はんだ材を冷やして固化させる第２工程と、
を備えており、
前記第２工程では、前記基板と冷却器の間に伝熱板（５０）が挟まれており、前記伝熱板は、前記法線方向からみたときの前記Ｓｎ系はんだ層の中央部（３２）に対向する第１範囲（５１）の熱伝導率が、前記中央部を囲む周辺部（３３）に対向する第２範囲（５２）の熱伝導率よりも高い、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１に、半導体素子がＳｎ系はんだ層で基板に接合されている半導体装置が開示されている。Ｓｎ結晶は異方性を有する。Ｓｎ系はんだ層は、温度変化により非弾性歪を生じるが、この非弾性歪に異方性がある。非弾性歪は、Ｓｎ結晶構造のＣ軸方向で最も大きい。非弾性歪の大きい方向に繰り返し力が加わると、Ｓｎ系はんだ層の劣化の進みが早くなる。そこで、特許文献１の技術では、Ｓｎ系はんだ層に含まれるＳｎ結晶のＣ軸がＳｎ系はんだ層の最大応力方向と直交するようにＳｎ系はんだ層を形成する。基板と半導体素子の間のはんだ層に作用する最大応力は基板に平行な方向を向く。すなわち、特許文献１の技術では、Ｓｎ系はんだ層に含まれるＳｎ結晶のＣ軸が基板の法線方向を向くようにＳｎ系はんだ層を形成する。
【0003】
一方、はんだ層に電流が流れると、エレクトロマイグレーションという現象が生じることが知られている（特許文献２）。エレクロマイグレーションは、電子の流れにより金属原子が移動する現象である。Ｓｎ（錫）はＣｕ（銅）などの金属と比較して電子流による原子移動が生じ易いことが知られている。すなわち、Ｓｎ系はんだ層ではエレクトロマイグレーションが進行し易い。Ｓｎ系はんだ層でエレクトロマイグレーションが進行すると、Ｓｎ系はんだ層の金属分布が不均一になる。すなわち、Ｓｎ系はんだ層が劣化する。Ｓｎ結晶のＣ軸が電子流の方向と一致すると、エレクトロマイグレーションが進行し易くなる。基板と半導体素子がはんだ層で接合されている半導体装置の場合、電子流（すなわち電流）は、主に、基板の法線方向に流れる。すなわち、Ｓｎ結晶のＣ軸が基板の法線方向を向くようにＳｎ系はんだ層を形成すると、エレクロマイグレーションが進行し易くなる。そこで、特許文献２の技術では、Ｓｎ結晶のＣ軸が基板と平行になるようにＳｎ系はんだ層を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１５－６５３０１号公報
【文献】特開２０１６－５１８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
Ｓｎ系はんだ層の非弾性歪を小さくするにはＳｎ結晶のＣ軸を基板の法線方向に向ければよいが、その場合、エレクトロマイグレーションの影響が大きくなる。Ｓｎ系はんだ層をエレクトロマイグレーションの影響を低減するにはＳｎ結晶のＣ軸を基板の法線に直交させればよいが、その場合、非弾性歪が大きくなる。本明細書は、非弾性歪とエレクトロマイグレーションの双方に対して耐性が高い半導体装置とその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本明細書が開示する半導体装置は、基板と、基板の法線方向で基板に対向している半導体素子と、半導体素子を基板に接合するＳｎ系はんだ層を備える。Ｓｎ系はんだ層に含まれるＳｎ結晶のＣ軸は、法線方向から見たときのＳｎ系はんだ層の中央部において法線と４５度より大きい角度で交差している。Ｃ軸は、中央部を囲む周辺部において法線と４５度以下の角度で交差している、または、Ｃ軸は法線と平行である。なお、Ｃ軸と法線のなす角度は、鋭角側の角度を意味する。
【0007】
上記した半導体装置では、Ｓｎ系はんだ層の中央部ではＣ軸が法線と４５度より大きい角度で交差する。Ｃ軸が法線と４５よりも大きい角度で交差していれば、Ｓｎ系はんだ層は、非弾性歪は小さくならないが、エレクトロマイグレーションの影響を抑えることができる。周辺部では、Ｃ軸が法線と４５度以下の角度で交差している、またはＣ軸が法線と平行であるので、エレクトロマイグレーションの影響を抑える効果は小さいが、Ｓｎ系はんだ層の非弾性歪は小さくなる。しかし、周辺部は中央部と比べて電流が小さい。電流が小さいことで、周辺部におけるエレクトロマイグレーションの影響は、半導体装置全体としてみると小さい。一方、周辺部の非弾性歪を抑えることで、周辺部に囲まれている中央部の歪も抑えられる。本明細書が開示する半導体装置は、非弾性歪とエレクトロマイグレーションの双方に対して耐性が高い。
【0008】
中央部では、Ｃ軸が法線と直交しているとよい。Ｓｎ系はんだ層では、電流は、周辺部よりも中央部で多く流れる。それゆえ、中央部でＣ軸が法線と直交していると、エレクトロマイグレーションに対して特に高い耐性を得ることができる。逆に、周辺部では電流が多く流れないので、エレクトロマイグレーションの影響が少ない。
【0009】
本明細書は、上記した構造を有する半導体装置の製造方法も開示する。その製造方法は、第１工程と第２工程を備える。第１工程では、半導体素子と基板の間に配置されたＳｎ系はんだ材を熱して溶かす。第２工程では、溶融したＳｎ系はんだ材を冷やして固化させる。第２工程では、基板と冷却器の間に伝熱板が挟まれる。伝熱板は、基板の法線方向からみたときのＳｎ系はんだ層の中央部に対向する第１範囲の熱伝導率が、中央部を囲む周辺部に対向する第２範囲の熱伝導率よりも高い。
【0010】
上記した伝熱板を用いると、Ｓｎ系はんだ層の中央部では熱が基板の法線方向に流れる。周辺部では、熱は法線方向に対して斜めに流れる。溶融したＳｎ系はんだ材は、Ｃ軸が熱流に直交するように結晶化する。それゆえ、上記の伝熱板を採用することによって、中央部ではＣ軸は基板の法線に直交し、周辺部ではＣ軸が法線に対して傾斜するＳｎ系はんだ層を形成することができる。
【0011】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１実施例の半導体装置の平面図である。
【図3】第２実施例の半導体装置の断面図である。
【図4】第３実施例の半導体装置の断面図である。
【図5】半導体装置の製造工程を説明する図である（第１工程）。
【図6】半導体装置の製造工程を説明する図である（第２工程）。
【発明を実施するための形態】
【0013】
（第１実施例）図１、図２を参照して第１実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の平面図を示す。図２に、半導体装置２の断面図を示す。図２は、図１のII－II線に沿った半導体装置２の断面を示している。半導体装置２は、基板２０の上に半導体素子１０が接合されたデバイスである。
【0014】
【0015】
はんだ層３０が半導体素子１０を基板２０に接合している。説明の都合上、基板２０の法線方向（Ｚ方向）からみたときのはんだ層３０の中央部を中央部３２と称し、中央部３２を囲む領域を周辺部３３と称する。
【0016】
半導体素子１０は、パワートランジスタであり、一方の面にコレクタ電極１１が配置されており、他方の面にエミッタ電極１２が配置されている。図２では、電極以外の半導体素子の構造は図示を省略した。基板２０には配線パターン２１が形成されている。配線パターン２１は基板２０の表面に形成された導通経路を意味する。
【0017】
基板２０の配線パターン２１と半導体素子１０の電極（コレクタ電極１１）が対向している。はんだ層３０は、配線パターン２１とコレクタ電極１１に接する。基板２０には不図示の回路が実装されており、はんだ層３０と配線パターン２１が、半導体素子１０のコレクタ電極１１を回路に電気的に接続する。エミッタ電極１２を回路と電気的に接続する部材は図示を省略した。
【0018】
はんだ層３０はＳｎ（錫）を含有する。Ｓｎを含有するはんだはＳｎ系はんだと称される。はんだ層３０は、Ｓｎ系はんだ層である。Ｓｎ系はんだ材の一例として、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金が知られている。はんだ層３０ではＳｎが結晶化している。はんだ層３０の中央部３２と周辺部３３ではＳｎ結晶のＣ軸３１の向きが相違する。中央部３２におけるＣ軸３１ａと、周辺部３３におけるＣ軸３１ｂを区別なく示すときにはＣ軸３１と表記する。
【0019】
中央部３２におけるＣ軸３１ａは、基板２０の法線２２に対して４５度よりも大きい角度で交差する。周辺部３３におけるＣ軸３１ｂは、法線２２に対して４５度以下の角度で交差する。あるいは、周辺部３３におけるＣ軸３１ｂは、法線２２に対して平行である。
【0020】
図２（および図３、図４）では、角度Ａｎｇ－ａが、中央部３２におけるＣ軸３１ａと法線２２のなす角度を表し、角度Ａｎｇ－ｂが、周辺部３３におけるＣ軸３１ｂと法線２２のなす角度を表す。なお、Ｃ軸３１と法線２２のなす角度は、両線のなす鋭角を意味する。鈍角側も含む表現の場合は、次の通りである。中央部３２におけるＣ軸３１ａと法線２２のなす角度Ａｎｇ－ａは、４５度よりも大きく、１３５度よりも小さければよい。周辺部３３におけるＣ軸３１ｂと法線２２のなす角度Ａｎｇ－ｂは、４５度以下であればよい、または、１３５度以上であればよい。
【0021】
中央部３２と周辺部３３でＣ軸３１の向きを上記の通りに異ならせることの利点を以下に説明する。Ｓｎ系はんだでは、はんだ内のＳｎ結晶のＣ軸の向きが電流の流れる方向に一致すると、エレクトロマイグレーションが進行する（すなわち、はんだが劣化する）ことが知られている。逆に、Ｃ軸の向きが電流の方向と直交すると、エレクトロマイグレーションの進行が最も遅くなる。一方、Ｓｎ系はんだでは、Ｃ軸の方向の非弾性歪が他の方向の非弾性歪よりも大きくなる。従って、Ｃ軸の向きがはんだに作用する最大応力の向きに一致すると、はんだに生じる非弾性歪が大きくなる。すなわち、応力に起因する劣化が進行する。逆に、Ｃ軸の向きが最大応力の向きに直交すると、非弾性歪が最も小さくなる。すなわち、応力に起因する劣化の進行が最も遅くなる。
【0022】
基板２０と半導体素子１０に挟まれたはんだ層３０では、電流の流れは基板２０の法線２２の方向を向き、最大応力の方向は法線２２に直交する。Ｃ軸３１が法線２２に対して４５度よりも大きい角度で交差する場合、非弾性歪を抑制する効果よりもエレクトロマイグレーションを抑制する効果が大きい。Ｃ軸が法線に対して４５度以下の角度で交差する場合、エレクトロマイグレーションを抑制する効果よりも非弾性歪を抑制する効果が大きい。
【0023】
そこで、周辺部３３よりも大電流が流れる中央部３２では、Ｃ軸３１ａが法線２２に対して４５度よりも大きい角度で交差するようにはんだ層３０を配置する。大電流が流れる中央部３２では、エレクトロマイグレーションを抑制する顕著な効果が得られる。中央部３２を囲む周辺部３３では、Ｃ軸３１ｂが法線２２に対して４５度以下の角度で交差するようにはんだ層３０を配置する。周辺部３３では、非弾性歪を抑制する顕著な効果が得られる。周辺部３３で非弾性歪を抑えることができれば、周辺部３３に囲まれている中央部３２の非弾性歪も抑えることができる。中央部３２では、Ｃ軸の向きに起因する非弾性歪抑制効果が小さくても、周辺部３３が及ぼす非弾性歪抑制効果が得られる。半導体装置２のはんだ層３０は、非弾性歪とエレクトロマイグレーションの双方に対して耐性が高い。
【0024】
（第２実施例）図３に、第２実施例の半導体装置２ａの断面図を示す。半導体装置２ａでは、はんだ層３０の中央部３２におけるＣ軸３１ａは法線２２に対して直交している（Ａｎｇ－ａ＝９０度）。中央部３２を囲んでいる周辺部３３におけるＣ軸３１ｂは法線２２に平行である（Ａｎｇ－ｂ＝０度）。Ｃ軸３１の向きを上記の通りにすると、中央部３２ではマイグレーションに対して最大の抑制効果が得られ、周辺部３３では非弾性歪に起因する劣化に対して最大の抑制効果が得られる。
【0025】
（第３実施例）図４に、第３実施例の半導体装置２ｂの断面図を示す。半導体装置２ｂでは、はんだ層３０の中央部３２におけるＣ軸３１ａは法線２２に対して直交している（Ａｎｇ－ａ＝９０度）。中央部３２を囲んでいる周辺部３３におけるＣ軸３１ｂは法線２２に対して４５度で傾斜する（Ａｎｇ－ｂ＝４５度）。Ｃ軸３１の向きを上記の通りにすると、中央部３２ではマイグレーションに対して最大の抑制効果が得られ、周辺部３３では非弾性歪に起因する劣化に対する抑制効果と、マイグレーションに対する抑制効果の両方が得られる。
【0026】
（第４実施例）次に、第１実施例の半導体装置２の製造方法を説明する。この製造方法は、第１工程と第２工程を含む。第１工程では、基板と半導体素子の間に配置したＳｎ系はんだ材を加熱し、溶融させる。図５に示すように、例えば、基板２０と、半導体素子１０と、それらの間に挟まれたＳｎ系はんだ材３５を高温炉６０に入れて加熱する。第２工程では、溶けたはんだ材を冷却して固化させる。良く知られているように、固体あるいはペースト状のはんだ材を目的の場所に配置した後にはんだ材を溶かす接合方法は、リフローはんだ工程と呼ばれる。
【0027】
図６に、第２工程の様子を示す。なお、図６では、配線パターン２１と電極１１、１２の図示は省略した。溶融したＳｎ系はんだ材を固化させるために、基板２０に冷却器４０が取り付けられる。基板２０と冷却器４０の間には、伝熱板５０が挟まれる。伝熱板５０は、基板２０の法線方向（Ｚ方向）からみたときの半導体素子の中央部３２に対向する第１範囲５１の熱伝導率が、中央部３２を囲む周辺部３３に対向する第２範囲５２の熱伝導率よりも高い。
【0028】
溶けたＳｎ系はんだ材の熱は、伝熱板５０を通じて冷却器４０に移動する。中央部３２は、熱伝導率の高い第１範囲５１に面しているので、中央部３２の熱は基板２０の法線（図中の座標系のＺ軸）に平行に移動する。点線矢印線５３が、はんだ層３０の中央部３２の熱の移動方向を表している。
【0029】
周辺部３３は、熱伝導率の低い第２範囲５２に面している。周辺部３３の熱は、法線に平行には流れず、熱伝導率の高い第１範囲５１に近づくように斜めに流れる。点線矢印線５４が、周辺部３３の熱の移動方向を表している。Ｓｎが固化する場合、熱流に対してＣ軸が直交するように結晶化する。それゆえ、中央部３２ではＣ軸３１ａが法線（Ｚ軸）に直交し、周辺部３３ではＣ軸３１ｂが法線（Ｚ軸）に対して傾く。伝熱板５０の第１範囲５１と第２範囲５２の境界の位置を適切に決めることにより、周辺部３３におけるＣ軸３１ｂを法線（Ｚ軸）に対して４５度以下にすることができる。こうして、第１実施例の半導体装置２が得られる。
【0030】
第２範囲５２の熱伝導率は第１範囲５１の熱伝導率よりも低ければよいので、第２範囲５２は空隙であってもよい。
【0031】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。半導体素子１０は、トランジスタに限られない。
【0032】
はんだ層３０の中央部３２と周辺部３３は、境界が明確になっていなくともよい。別言すれば、中央部３２と周辺部３３の境界領域においては、Ｃ軸３１の向きが徐々に変化していてよい。中央部３２の大部分の領域でＣ軸３１ａが法線２２に対して４５度より大きな角度で交差しており、周辺部３３の大部分の領域でＣ軸３１ｂが法線２２に対して４５度以下の角度で交差していればよい。あるいは、周辺部３３の大部分の領域でＣ軸３１ｂが法線と平行であればよい。
【0033】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、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。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】
【0034】
２、２ａ、２ｂ：半導体装置 １０：半導体素子 １１、１２：電極 ２０：基板 ２１：配線パターン ２２：法線 ３０：はんだ層 ３１、３１ａ、３１ｂ：Ｃ軸 ３２：中央部 ３３：周辺部 ３５：Ｓｎ系はんだ材 ４０：冷却器 ５０：伝熱板 ５１：第１範囲 ５２：第２範囲 ６０：高温炉
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】