JPH07101736B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH07101736B2
JPH07101736B2 JP17122390A JP17122390A JPH07101736B2 JP H07101736 B2 JPH07101736 B2 JP H07101736B2 JP 17122390 A JP17122390 A JP 17122390A JP 17122390 A JP17122390 A JP 17122390A JP H07101736 B2 JPH07101736 B2 JP H07101736B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の裏面電極に半田を形成したもの
に係わり、半導体装置にパワー素子を形成したものに有
効に使用できるものである。
〔従来技術〕
従来、いわゆる裏面電極にスパッタリング法により形成
したニッケル膜を有する半導体装置においては、強い膜
応力が発生し、ウェハの反り、接合強度の低下が生じる
という問題があり、本出願人はこの問題を改善するため
に、先に特願平1-183502号を提案した。特願平1-1835
02号に示される技術は、放電ガスとしてのアルゴンガス
の圧力を15mTorr以上にした状態にてスパッタリングを
行うことにより、(111)結晶面に対する(200)結晶面
のX線回折ピーク強度比が10%以上である低応力のニッ
ケル膜を形成し、ウェハの反り低減、接合強度向上を可
能にするものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、特願平1-183502号に示される技術のよ
うにアルゴンガスの圧力を高圧にすると、第6図に示す
ようにニッケル膜の密度が低減している為に、このニッ
ケル膜上に裏面電極接合用の半田を形成すると半田中の
錫・鉛のニッケル膜への拡散が速くなり、その結果強度
劣化が発生するという問題点を有していた。第7図は半
田の成分として錫(Sn)を40wt%、鉛(Pb)を60wt%の
ものを用いて耐久寿命を測定した結果であり、この図か
らアルゴンガスの圧力が15mTorr以上になると耐久寿命
が極端に劣化していることがわかる。この理由として以
下の事が推定される。第8図に強度劣化した錫40wt%の
サンプルの剥離面のオージェ分析デプスプロファイル結
果をしめす。この結果からわかることは錫40wt%のサン
プルの剥離面は、基板であるシリコンとニッケル膜との
間に形成したチタン膜と、半田の鉛との間であり、鉛が
錫中に固溶した状態で存在し、それが高温放置試験によ
りニッケル膜中を拡散通過し、チタン膜との界面に到達
し、チタン中に鉛が拡散しにくいことからこの部分が強
度劣化したものと考えられる。
このように強度劣化する可能性のある構造を有する装置
を、例えば、車載用の半導体装置として採用する場合に
は、車載用では使用環境温度が高い(100℃以上)の
で、半田の拡散による強度劣化は切実な問題である。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたもので
あって、半導体装置の裏面電極に、アルゴンガスの圧力
を15mTorr以上にした状態にてスパッタリングを行うこ
とによりニッケル膜を形成したものにおいて、接合強度
が高い半田を形成した長寿命の半導体装置およびその製
造方法を提供するものである。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半
導体基板と、該半導体基板の一主面上に形成され、(11
1)結晶面に対する(200)結晶面のX線回折ピーク強度
比が10%以上であるニッケル膜と、該ニッケル膜上に形
成され、少なくとも錫および鉛を含み、該錫の含有量が
30重量%以下である半田とを備えることを特徴としてい
る。
又、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板を用
意する工程と、放電ガスとしてのアルゴンガスの圧力を
15mTorr以下にした状態にてスパッタリングを行い、前
記半導体基板の一主面上にニッケル膜を形成する工程
と、少なくとも錫および鉛を含み、該錫の含有量が30重
量%以下である半田を、前記ニッケル膜上に形成する工
程とを備えることを特徴としている。
又、錫の含有量を20重量%以下としてもよい。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す実施例を用いて詳細に説明す
る。
第1図は本発明の一実施例により形成される半導体装置
を示すものであり、同図(a)はその上面図、同図
(b)はそのa−a線断面図を示している。以下、この
半導体装置の形成工程を順に説明する。先ず、半導体基
板であるシリコン基板100内に周知の手法によりパワー
(電力用)素子としてのダーリントン接続したバイポー
ラ型トランジスタを形成する。その具体的な工程は省略
するが、図中、1は低抵抗コレクタ層、2は高抵抗コレ
クタ層であり、これらにより前段および後段のコレクタ
領域を構成している。3は前段トランジスタのベース領
域、4は前段トランジスタのエミッタ領域、5は後段ト
ランジスタのベース領域、6は後段トランジスタのエミ
ッタ領域である。7は前段ベースの表面電極、8は前段
エミッタ領域4および後段ベース領域5の表面電極であ
りその両者を電気接続している。9は後段エミッタの表
面電極である。10はPN接合を保護するためにシリコン基
板100の主表面に形成されたシリコン酸化膜、11は表面
保護膜である。尚、このような構造の詳細については、
例えば、特開昭63-114259号公報に開示されている。
次に、このトランジスタの裏面電極を形成する。先ず、
シリコンとの接合を強固なものにするために、シリコン
基板100の裏面に約2500Åの厚さのチタン(Ti)膜200を
スパッタリングにより形成する。そして、そのチタン膜
200上に、特願平1-183502号に示される技術と同様にし
て約6000Åのニッケル(Ni)膜300を形成する。即ち、
例えばVarian社製(XM−8)のDC平行平板型マグネトロ
ンスパッタリング装置を用いて、ニッケルを含むターゲ
ットを用い、シリコン基板100の基板温度を100〜250℃
に保ち、放電ガスとしてのアルゴン(Ar)の圧力を15mT
orr以上にした状態にてスパッタリングを行う。
次に、このニッケル膜300上に、ニッケルの酸化防止の
ためにスパッタリングにより約500Åの金(Au)膜400を
形成する。このようにしてトランジスタの裏面(コレク
タ)電極を構成するチタン膜200、ニッケル膜300および
金膜400が形成される。
こうした上で、この裏面電極をヒートシンク(放熱板)
等のリードフレーム600に電気接続するために半田500を
形成する。この半田500の材質は錫(Sn)および鉛(P
b)より成り、錫の含有量は30wt%以下の例えば20wt%
のものを使用しており、このような材質の半田のリボン
を定寸にカットして金膜400とリードフレーム600との間
に介在させて熱水素中で半田付けを行う。
そこで、このようにして形成された装置の作用・効果を
以下に説明する。
第2図は錫の含有量を変化させた場合にパワー素子の裏
面電極と半田接合部の耐久寿命がどのように変化するか
を示すデータであり、横軸に錫の含有量と鉛の含有量
を、縦軸に耐久寿命をとっている。尚、この耐久試験方
法は半導体基板にパワー素子を形成し、使用する場合に
半田が晒される最高温度あたりの150℃高温放置試験で
ある。この第2図より、錫の含有量が30wt%以下になる
と極端に耐久寿命が延びており約10000時間以上にも達
している。このような耐久寿命時間は一般的な自動車の
走行時間の寿命を上回る充分な時間であり、自動車用の
半導体装置として問題無く使用出来るものである。そし
て、上記の実施例においても、錫の含有量が20wt%の半
田を用いているので耐久寿命が充分に長くなるという効
果がある。尚、第2図の測定は垂直引っ張り強度試験を
行ったものであり、強度劣化が発生したものを耐久寿命
とした。また、高温放置試験方法は、恒温槽内、大気圧
中、ヒートシンク上に半田付けしたものをAlケースの中
に設置してその中にシリコーンゲルを充填した状態で放
置したものである。
次に、錫の含有量が30wt%以下になると極端に耐久寿命
が延びる理由を第3図〜第5図を用いて説明する。第3
図は錫の含有量が20wt%の半田を用いたサンプルのオー
ジェ分析デプスプロファイル結果であり、この図から錫
の含有量を20wt%にするとチタン界面には鉛が存在して
いないことが分かる。これは錫の含有量を充分少なくす
ると鉛が錫中に充分固溶できなくなり、またニッケル膜
中を拡散しようとするSn−Pb固溶相自身も少なくなり、
たとえ高温に放置したとしても鉛がニッケル膜中を充分
拡散通過することができず、チタン膜との界面に到達で
きなくなった為であると推察出来、その結果、強度劣化
していないものと思われる。この考察が正しいであろう
ことは第4図の錫の含有量を変化させた場合の150℃、5
000時間後のチタン界面の鉛の析出量の関係図、および
第5図の錫の含有量を変化させた場合の150℃、5000時
間後の接合強度の関係図からもわかる。第4図による
と、錫の含有量が30wt%以下になると極端に鉛の析出量
が低減しており、それに対応して第5図では接合強度が
向上しているのがわかる。尚、第5図において、黒丸
(●)プロットはチタンと鉛の間で剥離したものを示し
ており、白丸(○)プロットはシリコンが母材割れを生
じた事、即ち、鉛がチタンとニッケルとの間に介在せず
チタンと鉛の間では剥離しなかったものを示している。
尚、第2図および第4図から、錫の含有量が20wt%以下
になると、錫の析出量がほぼ0となる耐久寿命がほぼ飽
和するので、150℃の高温放置試験においては最も望ま
しい錫の含有量範囲である。
以上、本発明を上記実施例を用いて説明したが、本発明
はそれに限定されることなく、その主旨を逸脱しない限
り例えば以下に示す如く種々変形可能である。
(1)上記実施例では、発明の前提条件として、放電ガ
スとしてのアルゴンガスの圧力を15mTorr以上にした状
態にてスパッタリングを行い、シリコン基板の一主面上
にニッケル膜を形成することを述べているが、特願平1
-183502号に示されているように、放電ガスとしてのア
ルゴンガスの圧力を15mTorr以上にした状態にてスパッ
タリングを行うと、(111)結晶面に対する(200)結晶
面のX線回折ピーク強度比が10%以上であるニッケル膜
が形成されることから、上記実施例のような製法的な前
提条件の代わりにこのような構造的な前提条件を限定し
た構成であっても良い。
又、アルゴンガスの圧力の上限値についても、特願平1
-183502号に示されているように、比抵抗の値を考慮し
て25mTorrとしても良い。
(2)半導体基板(シリコン基板100)とニッケル膜300
との間に形成されるチタン膜200については、チタンの
代わりに例えばクロムあるいはバナジウム等の膜であっ
ても良く、又、この膜を省略して半導体基板上に直接ニ
ッケル膜を形成しても良い。
(3)ニッケル膜300と半田500との間に形成される金膜
400については、金に代わりに例えば銀等の膜であって
も良く、又、この膜を省略してニッケル膜300上に直接
半田500を形成しても良い。
(4)半田500の材質としては、少なくとも錫および鉛
を含むことは必須要件であるが、これらの他に添加元素
として例えば銀、アンチモン、インジウム、ビスマス、
銅等を含んでいても良い。
(5)半田の接合方法としては、熱水素中での半田付け
方法の他に、熱板式半田付け方法を採用しても良い。
又、スパッタリング装置としては平行平板型の他にシリ
ンダー型であっても良い。
(6)半導体基板内に形成するパワー素子として、DMO
S、IGBT等の素子であっても良い。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によると、少なくとも錫およ
び鉛を含み、該錫の含有量が30重量%以下である半田
を、ニッケル膜上に形成しているので、接合強度が高く
なり、長寿命の半導体装置を提供できるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例により形成される半導体装置
を示すものであり、同図(a)はその上面図、同図
(b)はそのa−a線断面図、第2図は錫の含有量を変
化させた場合にパワー素子の裏面電極と半田接合部の耐
久寿命がどのように変化するかを示すデータ、第3図は
錫の含有量が20wt%の半田を用いたサンプルのオージェ
分析デプスプロファイル結果、第4図は錫の含有量を変
化させた場合の150℃、5000時間後のチタン界面の鉛の
析出量の関係図、第5図は錫の含有量を変化させた場合
の150℃、5000時間後の接合強度の関係図、第6図はア
ルゴンの圧力とニッケル膜中の密度との関係図、第7図
は半田の成分として錫(Sn)を40wt%、鉛(Pb)を60wt
%のものを用いて耐久寿命を測定した結果、第8図は強
度劣化した錫40wt%のサンプルの剥離面のオージェ分析
デプスプロファイル結果である。 100……シリコン基板,300……ニッケル膜,500……半
田。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/52 E

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、 該半導体基板の一主面上に形成され、(111)結晶面に
    対する(200)結晶面のX線回折ピーク強度比が10%以
    上であるニッケル膜と、 該ニッケル膜上に形成され、少なくとも錫および鉛を含
    み、該錫の含有量が30重量%以下である半田と を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】半導体基板を用意する工程と、 放電ガスとしてのアルゴンガスの圧力を15mTorr以上に
    した状態にてスパッタリングを行い、前記半導体基板の
    一主面上にニッケル膜を形成する工程と、 少なくとも錫および鉛を含み、該錫の含有量が30重量%
    以下である半田を、前記ニッケル膜上に形成する工程
    と、 を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】前記錫の含有量が20重量%以下である請求
    項(2)記載の半導体装置の製造方法。
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