专利名称：塑模型半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及塑模型半导体器件及其制造方法。
背景技术：
塑模型(mold type)半导体器件(即半导体封装)包括用树脂塑模的半导体芯片。半导体芯片包括例如绝缘栅双极晶体管(即IGBT)之类的半导体部件。在日本专利申请公开No.2003-110064中特别公开了该半导体封装。
如图15所示，半导体封装36包括具有配置在半导体衬底上的IGBT的半导体芯片37、下侧散热片38、上侧散热片39和内散热片40。下侧散热片38与IGBT的集电极连接，上侧散热片39与IGBT的发射极连接。内散热片40配置在半导体芯片37的顶部。每个部件与焊料层41电连接。半导体芯片37的栅极通过栅导线43与引线框42连接。从树脂塑模(resin mold)44暴露下侧散热片39的一侧。而且，还从树脂塑模44暴露上散热片39的一侧，并从树脂塑模44暴露引线框42的一部分。这样，树脂塑模44密封起这些部件，从而提供半导体封装36。
在塑模中安装了所有部件之后，把熔化的树脂材料浇注到塑模中以形成半导体封装36。接着，冷却并固化熔化的树脂材料，从而提供半导体封装36。此时，熔化树脂加热到高达大约摄氏180度。因此，半导体封装36中的每个部件被熔化的树脂材料加热。尽管根据半导体封装36中部件的线性膨胀系数差产生了应力，在部件之间连接的焊料层41可以吸收该应力。
但是，在应力较大的情况下，焊料层41不能充分地吸收应力，以致应力施加到半导体衬底上。这里，在衬底中形成IGBT的发射极和IGBT自身。因此，当向发射极和衬底施加应力时，构成发射极的铝层可能会破裂，从而发射极从衬底去除或者发射极损坏。由此，IGBT不能准确地工作，或者破裂阻止了热传导而使热量聚集在IGBT中。因此，在IGBT中聚集的热量可能破坏IGBT。
而且，当为了操作半导体芯片37在设备上安装半导体封装36时，半导体芯片37产生热，从而把半导体封装36加热到相当高的温度。另外，半导体封装36被使用环境中的气温冷却。半导体封装36在热循环下被施加了热应力，从而可能损伤发射极和/或IGBT。
而且，在焊料层41由相当硬的无铅焊料等构成的情况中，会产生更多的上述破裂。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种具有高抗应力强度的塑模型半导体器件以及制造该塑模型半导体器件的方法。
一种塑模型半导体器件，包括包括半导体部件的半导体芯片；金属层；焊料层；和通过金属层和焊料层与半导体芯片连接的金属构件。焊料层由屈服应力比金属层屈服应力小的焊料构成。
在上述器件中，即使当用树脂塑模密封半导体芯片时，也能防止金属层破裂。由此，半导体器件具有高抗应力强度。
优选焊料层由Sn-Cu-Ni三重合金构成。而且优选金属层包括由Al-Si-Cu三重合金构成的铝层。
优选在半导体部件的表面上配置金属层。金属层包括与半导体部件电连接的第一金属层。焊料层的屈服应力比第一金属层的屈服应力小。金属层更优选地是包括第一金属层和第二金属层的多层金属层。在第一金属层上配置第二金属层，第二金属层由与第一金属层不同的金属材料构成。
进而，一种塑模型半导体器件包括包括半导体部件的半导体芯片；导电层；连接构件；和通过导电层和连接构件与半导体芯片连接的金属构件。该半导体芯片还包括具有半导体部件的半导体衬底；配置在半导体衬底上的第一导电层，用于提供与半导体部件电连接的一部分导电层；和配置在第一导电层上与半导体衬底相对的一侧的第二导电层，用于提供导电层的另一部分。第二导电层的杨氏模量等于或大于半导体衬底的杨氏模量。第二导电层覆盖第一导电层的表面和边缘。
在上述器件中，即使当用树脂塑模密封半导体芯片时，也能防止金属层破裂。由此，半导体器件具有高抗应力强度。
优选第二导电层具有等于或大于5μm的厚度。
半导体衬底的杨氏模量优选地表示为Esub以及膜厚度表示为Tsub。第二导电层具有表示为E的另一杨氏模量和表示为T的另一膜厚度。半导体衬底和第二导电层的杨氏模量和膜厚度具有以下关系E×T≌Esub×Tsub。
另外，提供了一种塑模型半导体器件的制造方法。该半导体器件包括具有半导体部件的半导体芯片和通过金属层和焊料层与半导体芯片连接的金属构件。该方法包括步骤在半导体衬底的主平面上形成半导体部件，从而提供元件部分(cell portion)；在半导体衬底的主平面上形成金属层；形成第一抗蚀层覆盖一部分金属层，该部分与元件部分对应；用第一抗蚀层作为掩膜蚀刻金属层，从而提供第一金属层；去除第一抗蚀层；形成第二金属层以覆盖第一金属层的表面和边缘；和在第二金属层上形成焊料层。焊料层由屈服应力比第一金属层屈服应力小的焊料构成。
上述方法提供了具有高抗应力强度的半导体器件。
优选地，半导体芯片还包括圆周承压(circumferentialpressure-withstanding)部分，其配置在元件部分的外部。在元件部分中提供第一金属层的步骤还包括步骤形成圆周承压部分的电极。更优选地，在形成第二金属层的步骤中通过湿化学镀(wetelectroless plating)方法在第一金属层的表面上形成第二金属层。
进而，提供了一种塑模型半导体器件的制造方法。该半导体器件包括具有半导体部件的半导体芯片和通过金属层和连接构件与半导体芯片连接的金属构件。该方法包括步骤在半导体衬底的主平面上形成半导体部件，从而提供元件部分；在半导体衬底的主平面上形成金属层；形成第一抗蚀层覆盖一部分金属层，该部分与元件部分对应；用第一抗蚀层作为掩膜蚀刻金属层，从而提供第一导电层；去除第一抗蚀层；和形成第二导电层以覆盖第一导电层的表面和边缘。第二导电层具有杨氏模量，其等于或大于半导体衬底的杨氏模量。
上述方法提供了具有高抗应力强度的半导体器件。
优选地，形成第二导电层的步骤还包括步骤在第一导电层的表面上形成第三导电层；和在第三导电层的表面上形成第二导电层。更优选地，在形成第二导电层的步骤中通过湿化学镀方法在第三导电层的表面上形成第二导电层。
通过下面参照附图的详细介绍，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更加明显。在附图中图1是示出按照本发明第一实施例半导体芯片的剖面图；图2示出按照第一实施例包括用树脂密封的半导体芯片的塑模型功率器件的剖面图；图3是示出屈服应力和包括第一电极或焊料层的几种材料之间关系的曲线图；图4是示出切应力和包括焊料层的几种材料之间关系的曲线图；图5是示出按照本发明第二实施例半导体芯片的剖面图，特别是图5示出了沿图6的V-V线截取的半导体芯片；图6是示出按照第二实施例的半导体芯片的平面图；图7A-8C是解释按照第二实施例制造半导体芯片方法的剖面图；图9是示出按照本发明第三实施例的半导体芯片的剖面图；图10是解释按照第三实施例制造半导体芯片方法的剖面图；图11是示出按照本发明第四实施例半导体芯片的剖面图，特别是图11示出了沿图12的XI-XI线截取的半导体芯片；图12是示出按照第四实施例的半导体芯片的平面图；图13A和13B是解释按照第四实施例制造半导体芯片方法的剖面图；图14是示出按照本发明第五实施例的半导体芯片的剖面图；
图15是示出按照现有技术包括用树脂密封的半导体芯片的塑模型功率器件的剖面图。
具体实施例方式
(第一实施例)该发明人已经初步研究了在塑模型功率器件(即塑模型半导体器件)中构成半导体芯片电极的电极材料和构成焊料层的焊料材料之间的关系，该焊料层是作为与电极连接的连接材料。特别是，发明人已经研究了电极材料和焊料材料的屈服应力。结果，当焊料材料的屈服应力小于电极材料的屈服应力时，在焊料层能够吸收在热循环中产生的应力。因此，防止了电极破裂。这里，热循环影响半导体器件，从而当半导体器件工作时使半导体器件的温度升高和降低。这里，屈服应力定义为产生(即触发)屈服现象的最小应力。屈服现象是当施加到材料的应力超出材料的弹性限度并到达预定值(即屈服应力)时，不增加应力而材料剧烈和塑性地变形。总之，当施加的应力显示为与屈服现象一至得最大值时，最大的应力被定义为屈服应力。但是，在不能明显观察最大应力的情况中，实际上，把0.2％的弹性极限应力定义为屈服应力。0.2％的弹性极限应力产生材料0.2％的永久变形。在该实施例中，当构成焊料层和/或电极的材料没有显示最大应力时，0.2％的弹性极限应力被定义为材料的屈服应力。
特别是当半导体芯片的电极具有多层结构时，焊料材料的屈服应力优选为小于构成多层电极的每个电极材料的屈服应力。至少在焊料材料的屈服应力小于配置在多层电极中下侧的电极材料的屈服应力的情况中，焊料层吸收应力。
这里，存在多种电极材料，每种具有不同的屈服应力。在焊料材料的屈服应力小于电极材料的屈服应力的情况中，焊料层吸收应力。例如，当电极具有三层结构时，其包括铝(即Al)层、镍层(即Ni)层和金(即Au)层，电极的最下层(即底层)为Al层，其直接与半导体芯片连接(即接触)。Al层具有相当小的屈服应力。在这种情况中，需要焊料层具有小屈服应力，其小于Al层的屈服应力。而且，当电极由另一个三层结构构成时，其包括铜(即Cu)层、Ni层和Au层，电极的底层是Cu层，其直接与半导体芯片连接。Cu层具有相当大的屈服应力。因此，焊料材料可以选自屈服应力比Cu层小的更多材料。
鉴于上述初步研究，在图1和2中示出了作为按照本发明第一实施例半导体器件的塑模型功率器件。塑模型功率器件包括半导体芯片1，其用树脂塑模。
由半导体衬底构成半导体芯片1，从而在p+型衬底2的主平面上形成N-型漂移层3。半导体芯片1包括元件部分50和配置在元件部分50的周边上用于保护元件部分50的覆盖部分(即圆周承压部分)51。
在元件部分50中，配置了多个IGBT。在N-型漂移层3表面上形成P型基区层4。在P型基区层4的表面上形成N+型源极层6。形成槽7穿过N+型源极层6和P型基区层4，以致槽7到达N-型漂移层3。在槽7的内壁上依次形成栅绝缘膜8和栅层9。由此，由通过栅绝缘膜8在槽7中的栅层9提供了槽栅结构。用绝缘膜12a覆盖N+型源极层6的一部分和槽栅结构。在P+型衬底2的背面(即底部)上形成集电极18以与P+型衬底2接触。
在IGBT的表面上形成发射极13。发射极13包括第一、第二和第三金属层13a-13c。第一金属层由铝合金构成，其包括铝(即铝基材料)例如Al-Si-Cu合金。第二金属层13b由Ni构成，第三金属层13c由Au构成。由此，发射极13由多层结构构成。焊料层14与发射极13的第三金属层13c连接(即接触)。在图1中，配置在发射极13上的焊料层14没有熔化。
第一金属层13a覆盖多层槽栅结构，从而使第一金属层13a与P型基区层4和N+型源极层6连接。由此，第一金属层13a共同连接于多个IGBT之间。例如通过溅射方法形成第一金属层13a。第一金属层13a的膜厚度等于或大于大约2μm。这使因为在第一金属层13a的厚度小于2μm的情况中，由应力引起的应变影响到半导体衬底自身而不是第一金属层13a。因此，为了防止半导体衬底破裂，第一金属层具有等于或大于2μm的较厚厚度。按照应力由应变产生破裂。第一金属层13a由Al合金构成，从而第一金属层13a的Al合金的屈服应力高于焊料层4的屈服应力。
第二金属层13b由Ni构成，其具有与第一和第三金属层焊接的优良焊接性质。以湿法工艺如湿化学镀工艺形成第二金属层13b。第二金属层13b的膜厚度是为大约5μm。构成第二金属层13b的Ni是比焊料层14硬的硬材料。因此，Ni的屈服应力高于焊料层14的屈服应力。
通过电镀方法并由Au构成第三金属层13c。电镀的Au防止Ni氧化并提供焊料层14优良的焊料浸润性。第三金属层13c的膜厚度为例如大约0.1μm。但是，当熔化构成焊料层14的焊料材料使焊料材料中的锡(即Sn)和第二金属层13b中的Ni形成合金层时，第三层即Au消散(即分散)从而使第三金属层13c几乎消失，即第三层13c的厚度几乎变成零。构成第三金属层13c的Au是软材料。但是，第三金属层13c的厚度与第一和第二金属层的厚度相比十分薄。而且，在熔化焊料材料之后不存在足够提供层状结构的第三金属层13c。因此，当估算按照线性膨胀系数之间的差异由应力产生的应变时，无需考虑第三金属层13c。
由Sn、Cu和Ni构成的三重焊料材料构成焊料层14。即，由Sn-Cu-Ni三重材料构成焊料层14。焊料层14的组分例如使得在焊料层14中Cu为0.5wt％到2.0wt％之间的范围，Ni为0.05wt％到0.1wt％之间的范围，其余为Sn，还可以包括少量的添加剂。由上述组分构成的焊料层14具有很小的屈服应力，其比第一金属层13a的屈服应力小。
图3示出每种材料的温度和屈服应力之间的关系。在图3中，Al-Si-Cu表示由Al-Si-Cu三重合金构成的第一金属层13a，Sn-Ag-Cu代表传统无铅焊料，Sn-Cu-Ni代表按照第一实施例的焊料层14。这里，在40℃到150℃之间的温度范围评价每种材料的关系。分别把每种材料被制造成某种相同的形状。制造的形状例如是拉伸强度测试和扭转测试样品的形状。
在-50℃到+150℃之间的温度范围(塑模型功率器件在该温度范围内工作)内第一金属层13a的屈服应力总是大于焊料层14的屈服应力。在该实施例中，焊料层14具有上述特性。
当由具有图3的Sn-Cu-Ni所示特性的材料构成焊料层14时，以如下方式在半导体衬底的表面附近产生剪切应力。图4示出剪切应力和焊料层14材料之间的关系。在图4中，Sn-Ag-Cu代表这样一种情况，第一金属层13a由Al-Si-Cu合金构成，焊料层14由Sn-Ag-Cu三重合金构成，在塑模型功率器件工作的部分温度范围内焊料层14的屈服应力小于第一金属层13a的屈服应力。Sn-Cu-Ni代表另外一种情况，其中第一金属层13a由Al-Si-Cu合金构成，焊料层14由Sn-Cu-Ni三重合金构成，在塑模型功率器件工作的整个温度范围内焊料层14的屈服应力小于第一金属层13a的屈服应力。在半导体衬底的表面附近测量剪切应力。
当焊料层14由Sn-Cu-Ni三重合金构成时，剪切应力小于焊料由Sn-Ag-Cu三重合金构成的情况。这是因为由Sn-Cu-Ni三重合金构成的焊料层14的屈服应力小于由Al-Si-Cu三重合金构成的第一金属层13a的屈服应力。而且，由Sn-Cu-Ni三重合金构成的焊料层14的屈服应力小于由Sn-Ag-Cu三重合金构成焊料的屈服应力。
圆周承压部分51包括P型层5和第一电极15，如图1所示。在N-型漂移层3的表面上形成P型层5。通过LOCOS(即硅的局部氧化)氧化膜11和绝缘膜12b在P型层5上形成第一电极15作为场板(field plate)。在N-型漂移层3的表面上形成N+型层10。形成第二电极16作为最外圆周环以接触N+型层10。当向半导体芯片1施加浪涌电场时，第一和第二电极15、16降低了在IGBT中产生的电场密集度。由此，抑制了由浪涌电场引起的电场强度。
而且，钝化膜(即保护膜)17覆盖第一和第二电极15、16，从而保护圆周承压部分51。而且，用树脂塑模20密封半导体芯片1，从而提供半导体封装21。如图2所示，半导体封装21包括半导体芯片1、下侧散热片22、上侧散热片23、内部散热片24、栅导线25和引线端26，其全部用树脂塑模20密封。在半导体芯片1上配置IGBT栅极的栅极焊盘。栅极焊盘和引线端26通过栅布导线焊接的方法与栅导线25连接。从树脂塑模20露出引线端26的一部分。由此，通过引线端26从外部电路向IGBT施加栅驱动电压。栅极焊盘还具有三片层(即三层)结构，其包括配置在下侧的Al合金层、Ni镀层和Au镀层三层依次层跌在一起。引线端26通过栅极焊盘与槽栅结构的每个栅层9连接。这里，栅极焊盘的Au层具有大约0.1μm的膜厚，即等于或小于0.2μm。因此，改善了与栅导线25焊接的焊接性质。
焊料层27电连接于下侧散热片22顶部和半导体芯片1底部之间。焊料层14电连接于半导体芯片顶部和内部散热片24底部之间。另一个焊料层28电连接于内部散热片24顶部和上侧散热片23底部之间。配置在半导体芯片1中的IGBT发射极13通过内部散热片24和上侧散热片23与外部电路电连接。IGBT的集电极18通过下侧散热片22与外部电路电连接。
从下侧散热片和上侧散热片22、23排出从IGBT的集电极18和发射极13传导的热量。即，下侧和上侧散热片22、23用作释放热量的热传导体。而且，下侧和上侧散热片22、23用作流通电流的IGBT电流路径。因此，下侧和上侧散热片22、23由Cu或类似物质构成，其具有优良的导热性和低电阻。从树脂塑模20露出一部分下侧散热片22和一部分上侧散热片23，从而容易辐射掉从半导体芯片1产生的热量。
内部散热片24通过发射极16把热量释放到上侧散热片23，该热量在半导体芯片1中产生并由发射极16传导。而且，内部散热片24电连接于发射极13和上侧散热片23之间。内部散热片由Cu或类似物质构成。
在塑模型功率器件中，配置在半导体芯片1中用于与IGBT电连接的焊料层14由Sn-Cu-Ni三重合金构成，其具有比第一金属层13a小的屈服应力。因此，在半导体衬底表面附近产生的剪切应力变得更小。由此，即使当用树脂塑模20密封半导体芯片1时，也防止了第一金属层13a破裂。这样，发射极13没有从半导体衬底脱离并且保护IGBT免受损伤。而且，保护IGBT的表面免受损伤，从而保护半导体封装21免受损伤，该损伤由停止电流流动或热传导而引起。
附加测试以如下方式进行。该测试为在-40℃和+125℃之间重复加热和冷却3000个循环的液相冷却和加热循环。在该测试中，当焊料层14由Sn-Ag-Cu三重合金构成时，半导体衬底即配置在IGBT表面上的电极层的表面破裂，从而IGBT损伤。另一方面，焊料层14由Sn-Cu-Ni三重合金构成时，电极层即配置在IGBT表面上的第一电极层13a不会破裂，从而IGBT不会损伤。由此，保护了发射极13不被去除，并保护了IGBT免受损伤。因此，提供了包括具有高抗应力强度的半导体芯片1的塑模型半导体器件。
在第一实施例中，焊料层14由Sn-Cu-Ni三重合金构成，焊料层14具有比由Al-Si-Cu的Al合金构成的第一金属层13a小的屈服应力。第一金属合金层13a可以由Al-Cu、Al-Si或具有其它添加剂的Al基合金构成。而且，第一金属层13a可以由纯Al构成。这里，只要焊料层14的屈服应力小于与半导体芯片电连接的第一金属层13a的屈服应力，可以由其它材料组合构成第一金属层13a和焊料层14。例如，当第一金属层13a由Al基金属材料构成时，焊料层14可以由Sn-Cu两重合金、Sn-Ni两重合金或Sn-Cu-Ni三重合金构成。
尽管第一金属层13a用作与半导体衬底直接接触的电极，还可以提供作为发射极的电极，从而在Al合金和Si衬底之间插入阻挡金属(barrier metal)。在这种情况中，选择焊料层的屈服应力小于组成发射极的所有层叠金属膜所有屈服应力。
尽管第一金属层13a由Al基金属材料构成，第一金属层13a还可以由Cu基金属材料构成。在这种情况中，由Sn-Ag两重合金或Sn-Ag-Cu三重合金构成焊料层14。
尽管半导体芯片包括IGBT，半导体芯片还可以包括其它半导体部件，例如垂直型MOSFET、二极管和/或双极晶体管。
(第二实施例)图5和6示出了按照本发明第二实施例的半导体芯片200。在芯片200中，在IGBT的表面上配置用于电路布线的电路布线电极213a。在布线电极213a的表面上配置阻挡金属层(即阻挡种晶层(barrierseed layer))213b。在阻挡金属层213b的表面上配置用于保护半导体芯片1表面的表面保护层213c。发射极213由布线电极213a、阻挡金属层213b和表面保护层213c构成。作为导电层的发射极213还用作表面保护电极，用于保护半导体芯片200的表面。发射极213的表面保护层213c的厚度，例如，等于或大于5μm。
在P+型衬底2的元件部分表面上形成电路布线电极213a，使得电路布线电极213a覆盖多个槽栅。而且，电路布线电极213a接触P型基区层4和N+型源层6从而共同连接多个IGBT。这里，电路布线电极213a用作第一导电层，即电路布线电极213a对应图1中的第一金属层13a。电路布线电极213a的厚度大约为3μm，电路布线电极213a通过溅射方法由铝(即Al)合金例如Al-Si-Cu合金构成。
阻挡金属层213b是用于与电路布线电极213a电连接的导电金属层。阻挡金属层213b例如通过溅射方法由钛(即Ti)层和氮化钛(即TiN)层构成。TiN层覆盖在Ti层上。阻挡金属层213b用作衬底(即用于镀敷的种晶层)，用于通过湿化学镀方法形成表面保护层213c。阻挡金属层213b用作第三导电层，其不对应图1中的第三金属层13c。阻挡金属层213b完全覆盖电路布线电极213a的表面和端部。
仅在阻挡金属层213b上配置表面保护层213c，从而表面保护层213c与阻挡金属层213b电连接。表面保护层213c用作第二导电层，即表面保护层213c对应图1的第二金属层13b。表面保护层213c完全覆盖阻挡金属层213b的表面和端部。如图6所示，在图6中虚线环绕的区域上配置表面保护层213c。通过湿化学镀方法形成表面保护层213c。表面保护层213c可以被焊接，并且具有很大的杨氏模量。表面保护层213c由硬材料例如Ni或Cu即金属材料构成。
表面保护层213c的杨氏模量表示为E，表面保护层213c的膜厚度表示为T。而且，半导体衬底即P+型衬底2和N-型漂移层3的杨氏模量表示为Esub，半导体衬底的厚度表示为Tsub。确定构成表面保护层213c的材料以满足关系E×T≌Esub×Tsub。在这种情况中，减小了表面保护层213c和半导体衬底之间线形膨胀系数的差异，而使在用树脂塑模20密封半导体芯片200的情况中或在多种热循环中向半导体封装21施加热应力时，施加到表面保护层213c的应力几乎等于施加到半导体衬底的应力。特别是，电路布线电极213a不受基于线性膨胀系数差异的应力的影响。因此，保护电路布线电极213a免遭破裂，从而防止电路布线电极213a损伤。由此，提供了包括具有高抗应力强度的半导体芯片200的塑模型半导体器件。
表面保护层213c的厚度例如等于或大于5μm。这里，当半导体芯片200用焊料层14与内部散热片24结合在一起时，由Sn基材料构成的焊料层14的焊料被加热到很高的温度，以使焊料和表面保护层213c的上部形成合金例如NiSn。因此，考虑到在表面保护层213c的上部上形成Ni-Sn系材料合金，表面保护层213c的厚度T定义为减去Ni-Sn系材料合金的厚度的厚度。由此，表面保护层213c的厚度设定得更厚。即使表面保护层213c的上部形成合金，也能够充分地确保表面保护层213c的厚度。
接着，图7A-8C示出了制造半导体芯片200的制造方法。
首先，在P+型衬底2的主表面上形成N-型漂移层3，从而提供了半导体衬底。然后，形成IGBT。接着，在N-型漂移层3的表面部分上形成P型基区层4和N+型源层6。然后，形成槽7，使槽7穿过N+型源层6和P型基区层4到达N-型漂移层3。依次在槽7的内壁上形成栅绝缘膜8和栅层9。形成绝缘膜12a以覆盖N+型源层6的一部分和槽7。
在图7A所示的第一工序中，在半导体衬底的主表面上形成金属层229，在主表面上提供有IGBT。金属层229的厚度大约为3μm。金属层229由铝或类似物质构成。
在图7B所示的第二工序中，在金属层229上涂敷光刻胶膜230，然后通过光刻方法将光刻胶膜230构图。由此，光刻胶膜具有开口，开口配置在除了将形成电路布线电极的区域、将形成第一电极的区域和将形成第二电极的区域上。
在图7C的第三工序中，用光刻胶膜230作为掩膜通过湿蚀刻方法蚀刻金属层229，由此在金属层229上构图。由此，形成了在元件部分50中的电路布线电极213a和在圆周承压部分51中的第一和第二电极15、16。在该第三工序中，即湿蚀刻工序中，侧面蚀刻金属层229，即蚀刻金属层的侧面，从而过蚀刻配置在光刻胶膜230下面的金属层229的上部。确切地说，如图7C所示，去除配置在光刻胶膜230开口内部的金属层229的上部。然后，去除光刻胶膜230。
在如图7D所示的第四工序中，形成用于形成金属薄膜231的Ti层和TiN层。金属薄膜231覆盖在圆周承压部分51中的电路布线电极213a和第一和第二电极15、16。
在图8A所示的第五工序中，在金属薄膜231上形成另一个光刻胶膜232。光刻胶膜232大于电路布线电极213a，以使用光刻胶膜232完全覆盖电路布线电极213a的表面和端部。确切地说，光刻胶膜232大于电路布线电极213a的端部(即轮廓)。然后，用光刻胶膜232作为掩膜通过光刻方法蚀刻并去除金属薄膜231。由此，形成阻挡金属层213b以使阻挡金属层213b覆盖电路布线电极213a的表面和端部。然后，去除光刻胶膜232。
在图8B所示的第六工序中，形成由聚酰亚胺或类似物质构成的钝化(即保护)膜233。在图8C所示的第七工序中，去除配置在阻挡金属层213b上的一部分钝化膜233，从而在包括圆周承压部分51的表面上形成钝化膜17。
然后，通过湿化学镀方法形成由例如Ni或Cu等金属材料(其具有很高的杨氏模量并能够焊接)构成的表面保护层213c。表面保护层213c的厚度等于或大于5μm。这里，仅在阻挡金属层213b上配置表面保护层213c。因此，在钝化膜17上不配置表面保护层213c。在某些情况中，在P+型衬底2的背面上形成集电极18。接着，通过小块切割方法把半导体衬底切割成多个半导体芯片1。由此，完成半导体芯片200。
这样，以上述工序制造的半导体芯片200分别通过焊料层14、27与下侧散热片22和内部散热片24连接。然后，半导体芯片200的栅极焊盘和引线端26用栅导线25彼此连接。这里，在图6下侧所示矩形区域上配置栅极焊盘。然后，上侧散热片23通过焊料层28与内部散热片24焊接。然后，将上述部件设置在塑模中以形成半导体封装21，随后提供树脂塑模20的熔化树脂流到塑模中。冷却并固化熔化的树脂，从而树脂塑模20密封这些部件，从而形成了半导体封装21。
由此，即使当半导体封装21密封这些部件时，也能减轻(即减小)施加到电路布线电极213a的应力。这是因为电路布线电极213a覆盖半导体衬底的表面，硬质的表面保护层213c覆盖电路布线电极213a的表面和端部，施加到表面保护层213c的应力几乎等于施加到半导体衬底的应力。用表面保护层213c覆盖电路布线电极213a。因此，防止了电路布线电极213a损伤(即破裂)。而且，保护IGBT免受由电路布线电极213a的损伤而引起的热损伤，该电路布线电极213a的损伤是例如截断流经IGBT的电流或截断通过IGBT传导的热量等。
尽管确定表面保护层213c满足关系E×T≌Esub×Tsub，表面保护层213c还可以是其它的电极，只要该电极能够承受从半导体芯片1外部施加的应力。确切地说，要求表面保护层213c的杨氏模量至少等于或大于半导体衬底的杨氏模量。在这种情况中，通过表面保护层213c减小由于树脂铸模(即树脂密封)半导体封装21时产生的应力或者在热循环中产生的应力。因此，防止应力传导到电路布线电极213a。
而且，在图8A所示的第五工序中，通过使用与在图7B中所示的第二工序中用于形成光刻胶膜230相同的掩膜形成光刻胶膜232。当通过蚀刻形成电路布线电极213a时，侧面蚀刻在光刻胶膜230下面配置的金属层229的端部。因此，在第五工序中，当使用形成光刻胶层232的掩膜(其与在上述金属层229蚀刻工序中所使用的掩膜相同)来形成光刻胶膜232时，形成了光刻胶膜232，使得光刻胶膜232覆盖电路布线电极213a的表面和端部。因此，当蚀刻金属薄膜231时，没有去除配置在电路布线电极213a端部的一部分金属薄膜213，从而阻挡金属层213b完全覆盖电路布线电极213a。由此，即使通过使用与形成光刻胶膜230相同的掩膜形成光刻胶膜232，表面保护层213c也能完全覆盖电路布线电极213a。这里，在这种情况中，当用光刻胶膜232覆盖电路布线电极213a时，形成光刻胶膜232覆盖在圆周承压部分51中的第一和第二电极15、16。然后，去除金属薄膜231，随后，部分保留在第一和第二电极15、16表面上的金属薄膜231。但是，用钝化膜17完全覆盖配置在圆周承压部分51中的该剩余金属薄膜231。因此，剩余金属薄膜231不会产生负面影响。
而且，尽管在电路布线电极213a上形成了阻挡金属层213b，还可以省略阻挡金属层213b。这是因为通过电镀方法可以直接在由铝构成的电路布线层213a上形成表面保护层213c。
尽管可以通过电镀方法形成表面保护层213c，表面保护层213c还可以通过其它方法例如溅射方法来形成。但是，优选通过电镀方法形成表面保护层213c，因为电镀方法可以容易地提供厚的表面保护层213c。如上所述，要求表面保护层213c的厚度为特定厚度。
(第三实施例)在图9中示出了按照本发明第三实施例的半导体芯片300。表面保护层213c接触钝化膜17。
按照第三实施例的半导体芯片300几乎与图7A-8C所示的工序相同。以下参照图7A-8B和图10说明制造按照第三实施例的半导体芯片300的制造方法。
首先，进行如图7A-8B所示的工序，在阻挡金属层213b上形成钝化膜233。然后，如图10所示，使用与用在图8C所示第七工序中的光掩膜不同的另一光掩膜去除配置在电路布线电极213a上的一部分钝化膜233。由此，在阻挡金属层213b的端部形成钝化膜17。
然后，通过湿化学镀方法在阻挡金属层213b的表面上形成表面保护层213c。同时，如图9所示，在钝化膜17的内部形成阻挡金属层213b，从而形成表面保护膜213c以接触钝化膜17。由此，完成半导体芯片300。
在按照第三实施例的半导体芯片300中，表面保护层213c完全覆盖电路布线电极213a的表面和端部。因此，没有应力施加到电路布线电极213a，从而不会损伤电路布线电极213a。
(第四实施例)在图11和12中示出了按照本发明第四实施例的半导体芯片400。阻挡金属层213b覆盖电路布线层213a和钝化膜17。因此，在元件部分50和圆周承压部分51的整个面积上形成发射极213。为了确保(即增加)在圆周承压部分51的承受压力，在半导体芯片400的最外周边的半导体衬底(即N-型漂移层3)的表面上形成P型区和绝缘膜。确切地说，在最外周边的表面上形成LOCOS氧化膜11和绝缘膜12b。在图12中虚线环绕的区上形成表面保护层213c。
半导体芯片400以如下方法制造。首先，进行图7A-7C中所示的工序，从而形成在元件部分50中的电路布线电极213a和在圆周承压部分51中的第一和第二电极15、16。接着，去除光刻胶膜230。如图13A所示，在半导体衬底的整个表面上形成钝化膜435。接着，去除配置在电路布线电极213a表面上的一部分钝化膜435，从而在圆周承压部分51中提供钝化膜17。
如图13B所示，在半导体衬底的整个表面上形成阻挡金属层213b。然后，通过湿化学镀方法在阻挡金属层213b上形成表面保护层213c。由此，完成了半导体芯片400。
在按照第四实施例的半导体芯片400中，表面保护层213c完全覆盖电路布线电极213a的表面和端部。因此，没有向电路布线电极213a施加应力，从而电路布线电极213a不会损伤。
在该实施例中，不能省略阻挡金属层213b。这是因为需要在圆周承压部分51中由聚酰亚胺构成的钝化膜17上形成表面保护层213c。因此，在形成钝化膜17之后必须形成阻挡金属层213b，因为阻挡金属层213b用作镀敷的种晶层。
(第五实施例)在图14中示出了按照本发明第五实施例的半导体芯片500。半导体芯片500包括具有电路布线电极513a的发射极513、阻挡金属层513b、表面保护层513c和第四层513d。
电路布线电极513a作为第一导电层，其与图5中所示的电路布线电极213a类似，即电路布线电极513a对应图1的第一金属层13a。电路布线电极513a的厚度大约为3μm，电路布线电极513a通过溅射方法或同类方法由铝(即Al)合金例如Al-Si-Cu合金构成。
阻挡金属层513b用作通过湿化学镀方法形成的表面保护层513c的衬底(即用于镀敷的种晶层)。阻挡金属层513b用作第三导电层(其与图5所示的阻挡金属层213b类似)并不对应图1中的第三金属层13c。阻挡金属层513b是与电路布线电极513a电连接的导电金属层。阻挡金属层513b通过溅射方法由例如钛(即Ti)层和氮化钛(即TiN)构成。
表面保护层513c用作第二导电层，其与图5中所示的表面保护层213c类似，即表面保护层513c对应于图1中的第二金属层13b。通过湿化学镀方法形成表面保护层513c。表面保护层513c能够焊接并具有很大的杨氏模量。表面保护层513c由硬材料例如Ni或Cu即金属材料构成。表面保护层513c的厚度例如可以等于或大于5μm。
表面保护层513c的杨氏模量表示为E，表面保护层513c的膜厚度表示为T。而且，半导体衬底即P+型衬底2和N-型漂移层3的杨氏模量表示为Esub，半导体衬底的厚度表示为Tsub。确定构成表面保护层513c的材料满足关系E×T≌Esub×Tsub。
通过电镀方法并由Au构成第四金属层513d。电镀的Au防止Ni氧化并提供焊料层514的优良的焊料浸润性。第四金属层513d的膜厚度例如为大约0.1μm。第四金属层513d对应图1所示的第三金属层13c。
在发射极513上形成焊料层514。由Sn、Cu和Ni构成的三重焊料材料构成焊料层514。即，由Sn-Cu-Ni三重材料构成焊料层514。焊料层514的组分例如使得在焊料层514中Cu为0.5wt％到2.0wt％的范围内，Ni在0.05wt％到0.1wt％的范围，其余为Sn，还可以包括少量的添加剂。由上述组分构成的焊料层514具有很小的屈服应力，其比电路布线电极513a的屈服应力小。由Al合金构成电路布线电极513a，所以电路布线电极513a的Al合金的屈服应力高于焊料层514的屈服应力。
在塑模型功率器件中，与在半导体芯片500中配置的IGBT电连接的焊料层514由Sn-Cu-Ni三重合金构成，其具有比电路布线电极513a屈服应力小的很小屈服应力。因此，在半导体衬底表面附近产生的剪切应力变小。由此，即使当用树脂塑模20密封半导体芯片500时，也能防止表面保护层电路布线电极513a破裂。由此发射极513不会从半导体衬底去除，并保护IGBT免于损伤。而且，保护IGBT的表面免受损伤，从而保护半导体封装21免受损伤，该损伤由停止电流流动或热传导而产生。
而且，电路布线电极513a受保护而不受基于线性膨胀系数差异的应力的影响。因此，电路布线电极513a受保护免于破裂，从而防止电路布线电极513a损伤。
可以理解这些变型和改进属于所附权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种塑模型半导体器件，包括含有半导体部件的半导体芯片(1)；金属层(13，13a-13c)；焊料层(14)；和通过金属层(13，13a-13c)和焊料层(14)与半导体芯片(1)连接的金属构件(24)，其中焊料层(14)由屈服应力比金属层(13，13a-13c)屈服应力小的焊料构成。
2.按照权利要求1的器件，其中焊料层(14)由Sn-Cu-Ni三重合金构成。
3.按照权利要求1或2的器件，其中金属层(13，13a-13c)包括由Al-Si-Cu三重合金构成的铝层(13a)。
4.按照权利要求1-3任一项的器件，其中在半导体部件的表面上配置金属层(13，13a-13c)，金属层(13，13a-13c)包括与半导体部件电连接的第一金属层(13a)，焊料层(14)的屈服应力比第一金属层(13a)的屈服应力小。
5.按照权利要求4的器件，其中金属层(13，13a-13c)是包括第一金属层(13a)和第二金属层(13b)的多层金属层(13，13a-13c)，以及在第一金属层(13a)上配置第二金属层(13b)，第二金属层(13b)由与第一金属层(13a)不同的金属材料构成。
6.按照权利要求5的器件，其中第一金属层(13a)包括铝，并且第二金属层(13b)包括镍。
7.按照权利要求5或6的器件，其中第一金属层(13a)包括厚度等于或大于2μm的铝层。
8.按照权利要求6或7的器件，其中通过湿法工艺方法形成第二金属层(13b)。
9.按照权利要求5的器件，其中第一金属层(13a)包括铜，并且第二金属层(13b)包括镍。
10.按照权利要求9的器件，其中通过湿法工艺形成第二金属层(13b)。
11.按照权利要求9或10的器件，其中湿法工艺是湿化学镀方法。
12.按照权利要求9-11任一项的器件，其中焊料层(14)由Sn-Ag-Cu三重合金构成。
13.一种塑模型半导体器件，包括含有半导体部件的半导体芯片(200，300，400，500)；导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)；连接构件(14，514)；和通过导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)和连接构件(14，514)与半导体芯片(200，300，400，500)连接的金属构件(24)。其中该半导体芯片(200，300，400，500)还包括具有半导体部件的半导体衬底(2，3)；配置在半导体衬底(2，3)上的第一导电层(213a，513a)，用于提供与半导体部件电连接的一部分导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)；和配置在第一导电层(213a，513a)上的与半导体衬底(2，3)相对的一侧的第二导电层(213c，513c)，用于提供导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)的另一部分，其中第二导电层(213c，513c)的杨氏模量等于或大于半导体衬底(2，3)的杨氏模量，并且第二导电层(213c，513c)覆盖第一导电层(213a，513a)的表面和边缘。
14.按照权利要求13的器件，其中第一导电层(213a，513a)由包括铝的金属材料构成。
15.按照权利要求13或14的器件，其中第二导电层(213c，513c)由包括镍或铜的金属材料构成。
16.按照权利要求13-15任一项的器件，其中第二导电层(213c，513c)具有等于或大于5μm的厚度。
17.按照权利要求13-16任一项的器件，其中半导体衬底(2，3)具有表示为Esub的杨氏模量和表示为Tsub的膜厚度，第二导电层(213c，513c)具有表示为E的另一杨氏模量和表示为T的另一膜厚度，并且其中半导体衬底(2，3)和第二导电层(213c，513c)的杨氏模量和膜厚度具有以下关系E×T≌Esub×Tsub。
18.按照权利要求13的器件，其中连接构件(514)由屈服应力比导电层(513，513a-513d)的屈服应力小的焊料构成。
19.按照权利要求18的器件，其中连接构件(514)由Sn-Cu-Ni三重合金构成。
20.按照权利要求18或19的器件，其中在半导体部件的表面上配置导电层(513，513a-513d)，第一导电层(513a)与半导体部件电连接，并且连接构件(514)的屈服应力小于第一导电层(513a)的屈服应力。
21.按照权利要求20的器件，其中导电层(513，513a-513c)是包括第一导电层(513a)和第二导电层(513c)的多层导电层，并且在第一导电层(513a)上配置第二导电层(513c)，第二金属层(513c)由与第一金属层(513a)不同的金属材料构成。
22.按照权利要求21的器件，其中第一导电层(513a)包括铝，并且第二导电层(513b)包括镍。
23.按照权利要求21或22的器件，其中第一导电层(513a)包括厚度等于或大于2μm的铝层。
24.一种塑模型半导体器件的制造方法，该塑模型半导体器件包括具有半导体部件的半导体芯片(1)和通过金属层(13，13a-13c)和焊料层(14)与半导体芯片(1)连接的金属构件(24)，该方法包括步骤在半导体衬底(2，3)的主平面上形成半导体部件，从而提供元件部分(50)；在半导体衬底(2，3)的主平面上形成金属层(13，13a-13c)；形成第一抗蚀层覆盖一部分金属层(13，13a-13c)，该部分与元件部分(50)对应；用第一抗蚀层作为掩膜蚀刻金属层(13，13a-13c)，从而提供第一金属层(13a)；去除第一抗蚀层；形成第二金属层(13b)以覆盖第一金属层(13a)的表面和边缘，在第二金属层(13b)上形成焊料层(14)，其中焊料层(14)由屈服应力比第一金属层(13a)屈服应力小的焊料构成。
25.按照权利要求24的方法，其中半导体芯片(1)还包括圆周承压部分(51)，其配置在元件部分(50)的外部，并且其中在元件部分(50)中提供第一金属层(13a)的步骤还包括步骤形成圆周承压部分(51)的电极(15，16)。
26.按照权利要求24或25的方法，其中形成第二金属层(13b)的步骤还包括步骤在第二金属层(13b)的表面上形成第三导电层(13c)。
27.按照权利要求26的方法，还包括步骤在去除第一抗蚀层步骤之后在圆周承压部分(51)上形成保护膜(17)。
28.按照权利要求26或27的方法，其中在形成第二金属层(13b)的步骤中通过湿化学镀方法在第一金属层(13a)的表面上形成第二金属层(13b)。
29.一种塑模型半导体器件的制造方法，该塑模型半导体器件包括具有半导体部件的半导体芯片(200，300，400，500)和通过导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)和连接构件(14，514)与半导体芯片(200，300，400，500)连接的金属构件(24)，该方法包括步骤在半导体衬底(2，3)的主平面上形成半导体部件，从而提供元件部分(50)；在半导体衬底(2，3)的主平面上形成导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)；形成第一抗蚀层(230)来覆盖一部分导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)，该部分与元件部分(50)对应；用第一抗蚀层(230)作为掩膜蚀刻导电层(213，213a-213c，513，513a-513d)，从而提供第一导电层(213a，513a)；去除第一抗蚀层(230)；和形成第二导电层(213c，513c)覆盖第一导电层(213a，513a)的表面和边缘，其中第二导电层(213c，513c)的杨氏模量等于或大于半导体衬底(2，3)的杨氏模量。
30.按照权利要求29的方法，其中半导体芯片(200，300，400，500)还包括圆周承压部分(51)，其配置在元件部分(50)的外部，并且其中在元件部分(50)中提供第一导电层(213a，513a)的步骤还包括步骤形成圆周承压力部分(51)的电极(15，16)。
31.按照权利要求29或30的方法，其中形成第二导电层(213c，513c)的步骤还包括步骤在第一导电层(213a，513a)的表面上形成第三导电层(213b，513b)；和在第三导电层(213b，513b)的表面上形成第二导电层(213c，513c)。
32.按照权利要求31的方法，还包括步骤在去除第一抗蚀层(230)步骤之后在圆周承压部分(51)上形成保护膜(17)，其中在形成第二导电层(213c)的步骤中第二导电层(213c)覆盖第一导电层(213a)和保护层(17)。
33.按照权利要求31或32的方法，其中在形成第二导电层(213c，513c)的步骤中通过湿化学镀方法在第三导电层(213b，513b)的表面上形成第二导电层(213c，513c)。
34.按照权利要求30-33任一项的方法，其中形成第三导电层(213b，513b)的步骤还包括步骤在第一导电层(213a，513a)的表面上形成第二抗蚀层(232)，其中在形成第一抗蚀层(230)的步骤中用光掩膜对第一抗蚀层(230)构图，和在形成第二抗蚀层(232)的步骤中用光掩膜将第二抗蚀层(232)构图。
全文摘要
一种塑模型半导体器件，包括含有半导体部件的半导体芯片(1)；金属层(13，13a－13c)；焊料层(14)；和通过金属层(13，13a－13c)和焊料层(14)与半导体芯片(1)连接的金属构件(24)。焊料层(14)由屈服应力比金属层(13，13a－13c)屈服应力小的焊料构成。即使当用树脂塑模(20)密封半导体芯片(1)时，也能防止金属层(13，13a－13c)破裂。
文档编号H01L23/485GK1574326SQ200410061649
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月23日 优先权日2003年6月23日
发明者平野尚彦, 加藤信之, 手岛孝纪, 坂本善次, 三浦昭二, 新美彰浩 申请人:株式会社电装