半導體裝置及其制造方法
【專利說明】 半導體裝置及其制造方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請主張以日本專利申請第2014 - 39968號(申請日:2014年2月28日)為基礎申請的優先權。本申請通過參照該基礎申請而包含基礎申請的全部內容。
技術領域
[0003]本發明的實施方式涉及半導體裝置及其制造方法。
【背景技術】
[0004]在半導體裝置中，例如，作為半導體元件與安裝基板的接合材料，使用焊料接合。接合材料能夠以低于半導體裝置的耐熱溫度的溫度進行接合，并在接合后具有半導體裝置的動作溫度以上的耐熱性是必要的。此外，接合材料還要求不斷裂的疲勞壽命。

【發明內容】

[0005]本發明提供一種能夠提高耐熱性和疲勞壽命的半導體裝置及其制造方法。
[0006]實施方式的半導體裝置的特征在于，具備:半導體元件；具有含銅的布線層的安裝基板；以及接合層，設置在上述半導體元件與上述布線層之間，含有由銅和銅以外的金屬形成的合金，上述合金的熔點比上述金屬的熔點高。
【附圖說明】
[0007]圖1是第一實施方式的半導體裝置的示意平面圖。
[0008]圖2是同一半導體裝置的A — A’線的剖面圖。
[0009]圖3是同一半導體裝置的A — A’線的接合前的剖面圖。
[0010]圖4是Cu - Zn 二元系平衡狀態圖。
[0011]圖5是Cu - Zn 二元系合金的機械性質。
[0012]圖6是Cu - Sn 二元系合金的機械性質。
[0013]圖7是Al - Zn 二元系平衡狀態圖。
【具體實施方式】
[0014]以下，參照【附圖說明】實施方式的半導體裝置。另外，本實施方式不限定本發明。
[0015](第一實施方式)
[0016]對于第一實施方式的半導體裝置I的結構，參照圖1以及圖2進行說明。圖1是表示第一實施方式的半導體裝置I的一例的示意平面圖，圖2示出圖1的A — A’處的剖面圖。
[0017]半導體裝置I具有半導體元件11、接合層12、安裝基板16。安裝基板16具有第I布線層13、絕緣基板14、第2布線層15、第I面14a、和與第I面14a相反的第2面14b。
[0018]第I布線層13設于絕緣基板14的第I面14a。第2布線層15設于絕緣基板14的第2面14b。接合層12設于第I布線層13。半導體元件11經由接合層12設于安裝基板16。
[0019]半導體元件11的半導體材料例如使用硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等。絕緣基板14例如使用氮化硅(SiN)、氮化鋁(AlN)等。第I布線層13以及第2布線層15使用銅(Cu)。接合層12使用Cu為40wt%以上、鋅(Zn)為60wt%以下的Cu - Zn合金。
[0020]接合層12的厚度例如是I μ m以上100 μ m以下左右。若超過100 μ m,則形成接合層12之前的時間變長，量產性顯著降低。優選的接合層12的厚度是5 μ m以上50 μ m以下，更優選的接合層12的厚度是5μπι以上20μπι以下。若使接合層12的厚度薄，則熱阻降低，進行高效的散熱。
[0021]接著說明半導體裝置I的制造方法。如圖3所示，在設于絕緣基板14的第I面14a的由Cu形成的第I布線層13上的規定位置，利用鍍覆法形成由Zn形成的金屬層17。并且，在金屬層17之上載置半導體元件11。鍍覆法是一例，也能利用濺射法、真空蒸鍍法、涂敷法等薄膜形成技術來形成。
[0022]在惰性環境中對安裝基板16以及半導體元件11施加規定的壓力，并且以金屬層17的熔點(Zn的熔點:419°C )以上且半導體元件11及安裝基板16的耐熱溫度以下的溫度進行保持。通過將金屬層17作為液相狀態保持規定時間，第I布線層13的成分(Cu)和金屬層17的成分(Zn)相互擴散。于是，形成圖2所示的由Cu - Zn合金形成的接合層12，安裝基板16與半導體元件11被接合。另外，純Zn由于蒸氣壓高，所以若在真空中加熱到熔點附近，則在熔融前升華。因此，真空環境以外是優選的。
[0023]第I布線層13與金屬層17間的相互擴散量依賴于接合時的保持溫度、保持時間、環境、施加壓力、金屬層17的厚度。因此，在接合層12的組分為Cu在40wt%以上、Zn在60wt%以下的Cu - Zn合金的條件下進行。形成的接合層12成為具有約830°C以上的高熔點的Cu - Zn合金。
[0024]接著說明半導體裝置I的效果。圖4是Cu - Zn 二元系平衡狀態圖。與接合前的金屬層17的熔點(Zn的熔點:419°C )相比，由Cu — Zn合金形成的接合層12的熔點(Cu為40wt%以上、Zn為60wt%以下的Cu - Zn合金的熔點:約830°C以上)變高。因此，抑制接合時的保持溫度對半導體裝置I帶來的熱影響，能夠得到接合后的高耐熱性。
[0025]圖5表示Cu - Zn 二元合金的機械性質(1.5mm退火板)。Cu - Zn 二元合金中，若Zn成分量增加，則與純Cu相比，拉伸強度和延展性增加，因此半導體裝置I在使用時的熱應力容易通過形成于接合層的Cu-Zn合金的變形而被吸收，能夠對接合層賦予高的耐熱循環性(heat cycle resistance)。但是,若Zn成分量過于增加,貝U延展性減小,難以變形，因此耐熱循環性降低。因此，Cu為40wt%以上、Zn為60wt%以下的Cu — Zn合金是優選的。
[0026]為了進行比較，作為以往例，說明使用Cu與Sn的合金即Cu-Sn 二元合金的情況。圖6表不Cu-Sn 二兀系合金的機械性質(A:退火后的鑄件，B:鑄件)。Cu - Sn 二兀系合金隨著Sn成分量的增加而延展性(圖中的A δ及Βδ)急劇降低，不易因外力而變形。因此，無法通過變形來吸收半導體裝置I使用時的熱應力。例如，在將含有SiC作為主材料的半導體元件11和含有Cu作為主材料的安裝基板16經由接合層12進行了接合的情況下，通過在大的溫度差的熱循環環境下的使用，半導體元件11達到損壞的可能性變高。這樣，通過使用Cu-Zn 二元系合金作為接合層12，能夠期待耐熱性和疲勞壽命的大幅提高。
[0027](第二實施方式)
[0028]下面，使用圖2說明第二實施方式。另外，對于第二實施方式，對與第一實施方式相同的點省略說明，對不同點進行說明。
[0029]第二實施方式與第一實施方式的不同點在于，接合層12中使用Cu為40wt%以上、Zn為60wt%以下、鋁(Al)為Zn的20wt%以下的Cu-Zn- Al合金。
[0030]接著說明半導體裝置I的制造方法。對金屬層17使用Zn - Al合金，并以金屬層17的熔點(Zn - Al的熔點:382°C )以上的溫度進行保持。通過將金屬層17作為液相狀態保持規定時間，第I布線層13的成分(Cu)與金屬層17的成分(Zn -Al)相互擴散，形成由Cu — Zn - Al合金形成的接合層12，安裝基板16與半導體元件11被接合。
[0031]接著說明半導體裝置I的效果。圖7是Al -Zn 二元系平衡狀態圖。與Zn的熔點(419°C )相比，通過添加Al，能夠降低到382°C。因此，作為金屬層17，通過使用Zn - Al來代替Zn，能夠進一步降低接合時的保持溫度，能夠抑制對半導體裝置I帶來的熱影響。但是，若Al成分量過度增加，則熔點上升。因此，Cu為40wt%以上、Zn為60wt%以下、Al為Zn的20wt%以下的Cu-Zn- Al合金是優選的。
[0032]說明了本發明的幾個實施方式，但這些實施方式是作為例子而提示的，并不意欲限定發明的范圍。這些新的實施方式能夠以其他各種形態實施，在不脫離發明主旨的范圍內，能夠進行各種省略、替換、變更。這些實施方式及其變形包含在發明的范圍及主旨中，并包含在權利要求書所記載的發明及其等同范圍內。
【主權項】
1.一種半導體裝置，具備: 半導體元件； 安裝基板，具有含銅的布線層；以及 接合層，設置在上述半導體元件與上述布線層之間，含有由銅和銅以外的金屬形成的合金，上述合金的熔點比上述金屬的熔點高。2.如權利要求1記載的半導體裝置， 上述金屬是鋅，上述合金中，銅為40wt%以上，鋅為60wt%以下。3.如權利要求1記載的半導體裝置， 上述金屬是鋅及鋁，上述合金中，銅為40wt%以上，鋅為60wt%以下，鋁為鋅的20wt%以下。4.如權利要求2或3記載的半導體裝置， 上述接合層的厚度是Ium以上100 u m以下。5.一種半導體裝置的制造方法，具備以下工序: 在含銅的布線層之上設置銅以外的金屬的工序； 在上述金屬之上搭載半導體元件的工序；以及 將上述金屬加熱到比上述金屬的熔點高的溫度，在上述半導體元件與上述布線層之間形成比上述金屬的熔點高的由銅和上述金屬形成的合金的工序。6.如權利要求5記載的半導體裝置的制造方法， 上述金屬是鋅，上述合金中，銅為40wt%以上，鋅為60wt%以下。7.如權利要求5記載的半導體裝置的制造方法， 上述金屬是鋅及鋁，上述合金中，銅為40wt%以上，鋅為60wt%以下，鋁為鋅的20wt%以下。8.如權利要求6或7記載的半導體裝置的制造方法， 將上述接合層的厚度形成為I μ m以上100 μ m以下。
【專利摘要】本發明提供一種能夠提高耐熱性和機械強度的半導體裝置及其制造方法。實施方式的半導體裝置具備：半導體元件；具有含銅的布線層的安裝基板；以及接合層，設置在上述半導體元件與上述布線層之間，含有銅和銅以外的金屬的合金，上述合金的熔點比上述金屬的熔點高。
【IPC分類】H01L23/532, H01L21/768
【公開號】CN104882433
【申請號】CN201410341174
【發明人】佐佐木遙, 山本敦史, 久里裕二, 松村仁嗣
【申請人】株式會社東芝
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2014年7月17日
【公告號】US20150249046