JP2013038330A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性が高く、良好な高温環境下での信頼性が得られる方法で半導体チップの実装を行い、半導体装置の高温動作を可能とする。
【解決手段】実装基板と半導体チップとの間に、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉより選択されるいずれかの金属又はその合金を含む接合支持層と、接合支持層を挟んで積層され、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属又はこれらの金属から選択される２以上の金属からなる合金を含む溶融層と、を有し、少なくとも最外層に溶融層が形成された接合層を介在させ、溶融層の融点以上の温度で保持し、液相拡散により溶融層より融点が高い合金層を形成して、実装基板と半導体チップを接合させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。

一般に、半導体装置において、実装基板上への半導体チップの実装方法として、はんだ材料を用いたはんだ接合が用いられている。このようなはんだ材料としては、古くからＰｂ系やＰｂ−Ｓｎ系が用いられており、近年ではＰｂフリー化に伴い、Ｓｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が用いられている。また、Ｓｉのディスクリート型半導体装置においては、ＳｉとＡｕめっきとの反応による共晶接合が用いられている。

近年、電子機器の小型化に伴い、搭載される半導体装置の発熱密度が上昇する傾向にある。また、Ｓｉ半導体装置の一般的な動作温度は１２５℃で、３００℃以下で使用されるのに対し、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体装置は、３００℃以上での動作が可能であり、高温動作で損失を低減させることができる。

そこで、３００℃以上の高温での良好な耐熱性及び耐熱サイクル性が得られる実装方法が要求されている。このような実装方法としては、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いた接合や、Ａｇナノ粒子による低温焼結などが実用化されている。しかしながら、これらの実装方法では、Ａｕ、Ａｇといった貴金属が用いられるため、適用が限定される。

特開２００５−３２８３４号公報

汎用性が高く、良好な高温環境下での信頼性が得られる方法で半導体チップの実装を行い、半導体装置の高温動作を可能とする。

実施形態の半導体装置の製造方法は、実装基板と半導体チップとの間に、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉより選択されるいずれかの金属又はその合金を含む接合支持層と、接合支持層を挟んで積層され、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属又はこれらの金属から選択される２以上の金属からなる合金を含む溶融層と、を有し、少なくとも最外層に溶融層が形成された接合層を介在させ、溶融層の融点以上の温度で保持し、液相拡散により溶融層より融点が高い合金層を形成して、実装基板と半導体チップとを接合させるものである。

また、実施形態の半導体装置は、実装基板と、実装基板上に接合される半導体チップと、実装基板と半導体チップとの間に設けられ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉより選択されるいずれかの金属又はその合金を含む接合支持層と、接合支持層を挟むように設けられ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択される少なくともいずれかの金属と、接合支持層に含まれる金属とを含む合金層と、を有する接合部と、を備えるものである。

第１の実施形態に係る半導体装置における実装基板と半導体チップとの接合工程を示す断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における実装基板と半導体チップとの接合工程を示す接合層部分の拡大断面図である。 第１の実施形態における一態様を示す断面図である。 第１の実施形態における一態様を示す断面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置における実装基板と半導体チップとの接合工程を示す接合層部分の拡大断面図である。 第３の実施形態に係る半導体装置における実装基板と半導体チップとの接合工程を示す接合層部分の拡大断面図である。 第３の実施形態における一態様を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

〈第１の実施形態〉
本実施形態において、以下のように実装基板と半導体チップが接合されて半導体装置が形成される。先ず、図１に示すように、例えばＳｉＮからなる絶縁基板１１ａの表面及び裏面に、例えばＣｕからなる配線層１１ｂが形成された実装基板１１の配線層１１ｂ上の所定位置に、接合層１２を形成した後、例えばＳｉＣ半導体チップなどの半導体チップ１３を載置する。

図２（ａ）に図１の破線部分である接合層部分の拡大断面図を示す。接合層１２において、例えば１０μｍの高融点金属であるＣｕからなる接合支持層１２ａを挟んで、例えば１０μｍの低融点金属であるＳｎからなる２層の溶融層１２ｂが積層されている。接合層１２は、例えばめっき法などにより、配線層１１ｂ上に、溶融層１２ｂ、接合支持層１２ａ、溶融層１２ｂが順次積層されることにより形成される。そして、上層の溶融層１２ｂ上に、半導体チップ１３が載置される。

次いで、図２（ｂ）に示すように、実装基板１１及び半導体チップ１３に、必要に応じて、例えば不活性雰囲気中で、所定の圧力を印加しながら、溶融層１２ｂの融点（Ｓｎの融点：２３２℃）以上の温度で保持する。これにより、溶融層（Ｓｎ層）１２ｂを液相状態として（溶融層１２ｂ’）、実装基板１１（配線層１１ｂ）及び半導体チップ１３の接合面を濡らす。

そして、図２（ｃ）に示すように、所定時間保持することにより、配線層１１ｂと、接合支持相１２ａの成分（Ｃｕ）が溶融層１２ｂ’（Ｓｎ）に溶け込むように、相互拡散を生じさせ、溶融層１２ｂ’の液相を消滅させる。

このようにして、図２（ｄ）に示すように、実装基板１１と半導体チップ１３間に、凝固したＣｕ、Ｓｎを含む合金（金属間化合物）層により接合部１２’が形成され、実装基板１１と半導体チップ１３が接合される。

形成された接合部１２’は、高融点（Ｃｕ_３Ｓｎの融点：約７００℃）となり、半導体装置を３００℃以上の高温においても安定して動作させることができる。また、接合に貴金属を用いないため、汎用性が高く、低コストで半導体チップの実装を行うことができる。さらに、接合支持層１２ａを溶融層１２ｂで挟むことにより、実装基板１１（配線層１１ｂ）及び半導体チップ１３の接合面のみならず、接合支持層１２ａの両面においても相互拡散が進行するため、より短時間で相互拡散を行うことが可能となる。

本実施形態において、接合支持層１２ａとしてＣｕを挙げたが、これに限定されるものではない。接合支持層１２ａとしては、溶融層１２ｂより高融点の金属で、溶融層１２ｂの構成材料と３００℃以上の融点の合金を形成することができればよく、Ｃｕの他、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉより選択されるいずれかの金属又はその合金を用いることができる。合金としては、例えばＣｕとＳｎからなる金属間化合物であるＣｕ_３Ｓｎなどを用いることができる。

また、溶融層１２ｂとしてＳｎを挙げたが、溶融層１２ｂとしては、Ｓｎの他、Ｚｎ、Ｉｎや、これらの金属の二元系、三元系合金を用いることができる。例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ共晶合金（共晶温度：１０８℃）を用いることにより、接合温度を１０８℃まで下げることが可能となり、より低温での接合が可能となる。

また、接合支持層１２ａ、溶融層１２ｂをそれぞれ１０μｍとしたが、これらの膜厚は、０．１〜１００μｍで適宜設定することができる。より好ましくは１〜１０μｍである。

また、本実施形態において、実装基板１１の絶縁基板１１ａとして、ＳｉＮを挙げたが、その他ＡｌＮなどを用いることができる。また、実装基板１１は、このような絶縁基板に限定されるものではなく、ディスクリート型の半導体装置に広く用いられる導電基板を用いることもできる。例えば、図３に示すように、実装基板として銅基板１４を用い、同様に接合層１２を介して半導体チップ１３を接合させてもよい。この場合、銅基板としては、純銅基板のみならず銅合金基板や、アルミナ、ＡｌＮ、ＳｉＮやガラスなどの絶縁基板の表面に銅板、銅合金板を貼り付けた銅貼り基板を用いることができる。

さらに、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、実装基板１１の配線層１１ｂ上、又は銅基板１４上に、Ａｇ或いはＡｕからなるめっき層１５を設けてもよい。このようなめっき層１５を設けることにより、拡散障壁となる酸化皮膜等の形成を抑制し、接合後のボイド形成を抑えることができるため、接合信頼性を向上させることが可能となる。

また、半導体チップ１３として、ＳｉＣ半導体を挙げたが、その他、Ｓｉ半導体のみならず、ＧａＮ、ＧａＡｓ半導体などの化合物半導体チップを用いることができる。また、半導体チップは、ディスクリート型、モジュール型など、特に限定されるものではない。

また、本実施形態において、めっき法を用いて接合層１２を形成したが、接合層１２の形成方法は限定されるものではなく、その他スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などの薄膜形成技術を用いて形成することができる。また、金属箔を積層して形成することもできる。さらに、溶融層１２ｂ／接合支持層１２ａ／溶融層１２ｂで構成される積層金属箔からなる接合層１２を別途形成した後、実装基板１１と半導体チップ１３の間に挟み、同様に接合を行ってもよい。

また、本実施形態において、実装基板１１及び半導体チップ１３に、不活性雰囲気中で所定の圧力を印加して加熱したが、接合層などの酸化を抑制する雰囲気であることが好ましく、還元雰囲気中でもよい。さらにその印加圧力は、半導体チップが破損しない範囲であれば、特に限定されず、無加圧での接合も可能である。

〈第２の実施形態〉
本実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成材料及び接合工程であるが、接合層において、合金層を形成する際に、接合支持層を残存させる点で異なっている。

本実施形態において、以下のように実装基板と半導体チップが接合されて半導体装置が形成される。第１の実施形態と同様に、実装基板の配線層２１ｂ上の所定位置に、接合層２２を形成した後、例えばＳｉＣ半導体チップなどの半導体チップ２３を載置する。

図５（ａ）に接合層部分の拡大断面図を示す。実装基板上の配線層２１ｂと半導体チップ２３間に形成される接合層２２において、例えば１０μｍのＣｕからなる接合支持層２２ａを挟んで、例えば５μｍのＳｎからなる２層の溶融層２２ｂが積層されている。

次いで、第１の実施形態と同様に、溶融層２２ｂの融点（Ｓｎの融点：２３２℃）以上の温度で保持して、溶融層２２ｂの液相化及び相互拡散を生じさせ、保持時間を適宜制御する。このようにして、図５（ｂ）に示すように、合金層２２ｂ’が凝固し、一部が残存した接合支持層２２ａ’とともに接合部２２’が形成される。

形成された接合部２２’は、第１の実施形態と同様に、高融点となり、半導体装置を３００℃以上の高温においても安定して動作させることができる。また、第１の実施形態と同様に、接合に貴金属を用いないため、汎用性が高く、低コストで半導体チップの実装を行うことができる。さらに、第１の実施形態と同様に、接合支持層２２ａを溶融層２２ｂで挟むことにより、接合支持層２２ａの両面においても相互拡散が進行するため、より短時間で相互拡散を行うことが可能となる。

さらに、接合部２２’中に、接合支持層２２ａ’を残存させているが、硬く脆いＣｕ_３Ｓｎなどの金属間化合物から構成される合金層２２ｂ’の間に、塑性変形能の高いＣｕからなる接合支持層２２ａ’が配置されることにより、実装基板２１と半導体チップ２３との線膨張率の差に起因する熱応力を緩和させることが可能となる。従って、接合部２２’及び半導体チップ２３の熱応力による破壊の発生を抑え、信頼性の低下を抑えることが可能となる。

なお、本実施形態において、第１の実施形態と同様の構成材料、及び接合工程が適用されるが、接合支持層２２ａについては、実装基板２１と半導体チップ２３との線膨張率の差に起因する熱応力を緩和させるために、Ｃｕの他、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ−Ｚｎ合金などが好適に用いられる。また、接合支持層２２ａ’／ 合金層２２ｂ’の積層構造とするため、接合支持層２２ａには、配線層と溶融層の構成成分を共に含む合金以外の材料が用いられる。

〈第３の実施形態〉
本実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成材料及び接合工程であるが、接合層において、接合支持層を複数層設けている点で異なっている。

本実施形態において、以下のように実装基板と半導体チップが接合されて半導体装置が形成される。第１の実施形態と同様に、実装基板の配線層３１ｂ上の所定位置に、接合層３２を形成した後、例えばＳｉＣ半導体チップなどの半導体チップ３３を載置する。

図６（ａ）に接合層部分の拡大断面図を示す。接合層３２において、交互に接合支持層３２ａが２層、溶融層３２ｂが３層積層され、最外層に溶融層３２ｂが形成されている。

次いで、第１の実施形態と同様に、溶融層３２ｂの融点（Ｓｎの融点：２３２℃）以上の温度で保持して、溶融層３２ｂの液相化及び相互拡散を生じさせる。このようにして、図６（ｂ）に示すように、凝固した合金層により、接合部３２’が形成される。

形成された接合部３２’は、第１の実施形態と同様に、高融点となり、半導体装置を３００℃以上の高温においても安定して動作させることができる。また、第１の実施形態と同様に、接合に貴金属を用いないため、汎用性が高く、低コストで半導体チップの実装を行うことができる。

さらに、接合支持層３２ａと溶融層３２ｂをそれぞれ複数積層させることにより、各接合支持層２２ａの両面において相互拡散が進行するため、第１の実施形態と比較して、同じ体積の接合部を形成する場合、さらに短時間で相互拡散を行うことが可能となる。

なお、第２の実施形態と同様に、図７に示すように、配線層４１ｂと半導体チップ４３間に設けられる接合部４２’中に、合金層４２ｂ’に挟まれた複数の接合支持層４２ａ’を残存させてもよい。これにより、第２の実施形態と同様に、熱応力を緩和させることにより、信頼性の低下を抑えることが可能となる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…実装基板、１１ａ…絶縁基板、１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ…配線層、１２、２２、３２…接合層、１２’、２２’、３２’、４２’…接合部、１２ａ、２２ａ、２２ａ’、３２ａ、４２ａ’…接合支持層、１２ｂ、１２ｂ’、２２ｂ、３２ｂ…溶融層、１３、２３、３３、４３…半導体チップ、１４…銅基板、１５…めっき層、２２ｂ’、４２ｂ’ …合金層。

Claims (5)

1. 実装基板と半導体チップとの間に、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉより選択されるいずれかの金属又はその合金を含む接合支持層と、前記接合支持層を挟んで積層され、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属又はこれらの金属から選択される２以上の金属からなる合金を含む溶融層と、を有し、少なくとも最外層に前記溶融層が形成された接合層を介在させる工程と、
   前記溶融層の融点以上の温度で保持し、液相拡散により前記溶融層より融点が高い合金層を形成して、前記実装基板と前記半導体チップとを接合させる工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法
2. 前記合金層を形成する際、前記接合支持層を残存させ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。
3. 前記接合層において、前記接合支持層は、前記溶融層を介して複数層設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 実装基板と、
   前記実装基板上に接合される半導体チップと、
   前記実装基板と前記半導体チップとの間に設けられ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉより選択されるいずれかの金属又はその合金を含む接合支持層と、前記接合支持層を挟むように設けられ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択される少なくともいずれかの金属と、前記接合支持層に含まれる前記金属とを含む合金層と、を有する接合部と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
5. 前記接合支持層は、前記合金層を介して複数層設けられることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

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