半導體裝置和制造半導體裝置的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體裝置和制造半導體裝置的方法。本發明尤其涉及一種其中半導體元件的電極接合至接合構件的半導體裝置。
【背景技術】
[0002]日本專利申請公開第2007-67158號(JP2007-67158A)公開了一種半導體裝置，其中半導體元件接合至接合構件。在JP2007-67158A中，半導體元件通過Sn-Cu焊料(錫和銅的混合合金焊料)接合至接合構件，在所述接合構件上形成鎳層。包含在Sn-Cu焊料中的Cu的比例調節為3.0wt%至7.0wt% (重量百分比)。也即，半導體元件通過Sn-3.0至
7.0Cu焊料接合至接合構件。JP2007-67158A描述了，當凝固熔化的焊料時，Cu6Sn5化合物形成在鎳層的表面上。Cu6Sn5化合物防止鎳層中的鎳以及Sn-Cu焊料中的Sn之間的相互擴散。
[0003]正如在JP2007-67158A中描述的，當使用包含低于0.9wt %的Cu的Sn-Cu焊料時，理論上不形成Cu6SnJt合物。因此，JP2007-67158A描述了半導體元件通過包含0.9?丨％或者更高的Cu的Sn-Cu焊料接合至接合構件。在說明書中，如上所述，更優選地，在Sn-Cu焊料中Cu的比例調節為3.0wt %S 7.0wt % ο

【發明內容】

[0004]但是，當構成Sn-Cu焊料的Cu的比例增加時，焊料的熔點(或者液相線溫度)增加。例如，在Sn-3.0Cu焊料的情形下，液相線溫度高于310°C。當使用具有高熔點(液相線溫度)的焊料時，有必要改善半導體元件的耐熱性以防止半導體元件被破壞。因此，提供了制造半導體裝置的方法，該方法能夠在實現在接合構件的表面上形成Cu6Sn5化合物的同時將焊料的熔點(或者液相線溫度)抑制得低。此外，還提供了半導體裝置。
[0005]根據本發明的第一方案，提供了制造半導體裝置的方法，該方法包括:將包含至少錫的焊料材料布置在半導體元件和設置有鎳層以及銅層的接合構件之間，使得焊料材料與銅層接觸，鎳層設置在接合構件的表面上，并且銅層設置在鎳層的表面的至少一部分上；以及使用焊料材料中的錫和銅層來熔化以及凝固焊料材料以在鎳層的表面上形成Cu6Srv
[0006]在本說明書中描述的“焊料材料”指的是在熔化之前的材料，并且當熔化時用來將半導體元件和接合構件彼此接合。另一方面，接合層的經此將半導體元件和接合構件彼此接合的一部分稱為“焊料部分”并且區別于焊料材料，所述接合層的該部分是將半導體元件和接合構件彼此接合之后(也即，在焊料材料凝固之后)的材料。“與焊料材料接觸的銅”并不限于設置在鎳層的表面上的銅層中的銅。“與焊料材料接觸的銅”包括除了鎳層的表面之外的區域的銅(例如，半導體元件的電極的表面)，只要其在布置步驟期間與焊料材料相接觸。此外，“(:1165115部分(或者Cu 6Sn5) ”包括其中部分Cu用Ni取代的化合物。也即，“Cu6Sn5部分(或者Cu 6Sn5) ”包括(Cu, Ni)6Sn5。例如，當使用添加了 Ni的Sn-Cu焊料時，Ni在Cu6Sn5中形成固溶體以形成(Cu, Ni) 6Sn5。Cu6Sn5W& (Cu, Ni) 63]15呈現大致相同的功能。接合構件并不限于直接接合至半導體元件的構件，而是包括接合至與半導體元件接合的構件(第一構件)的構件(第二構件)。也即，在本說明書中描述的接合構件指的是直接或者間接接合至半導體元件的構件。當使用上述方法將第一構件和第二構件彼此接合時，實際上，焊料材料布置于第一構件和第二構件之間。在半導體元件和接合構件之間布置焊料材料的布置步驟包括在接合至半導體元件的第一構件，以及第二構件之間布置焊料材料。
[0007]在上述制造方法中，在焊料材料和銅層彼此接觸的狀態下熔化以及凝固焊料材料。當焊料材料熔化、然后凝固以接合半導體元件至接合構件時，接觸焊料材料的銅層可以是用于形成Cu6Sn5部分的Cu成分。因此，即使當包含在焊料材料中的Cu的比例低時，仍能夠獲得Cu6Sn5部分。通過將包含在焊料材料中的Cu的比例抑制得低，能夠降低焊料材料的熔點(或者液相線溫度)。Cu6Sn5部分沉積在鎳層的表面上。根據上述制造方法，即使當使用理論上不能夠形成Cu6Sn5的焊料材料時(具有較低銅含量以及較低熔點或者液相線溫度)，仍能夠在鎳層的表面上形成Cu6Sn5部分。也即，能夠使用具有低熔點(或者液相線溫度)的焊料材料，同時實現在接合構件的表面上形成Cu6Srvfc合物。此外，在上述制造方法中，當半導體元件和接合構件接合至彼此時，能夠抑制半導體元件暴露于高溫。因此，半導體元件不要求高耐熱性。
[0008]根據本發明的第二方案，提供了半導體裝置，其包括:半導體元件；接合構件，其上設置有鎳層；以及接合層，接合構件通過所述接合層接合至半導體元件，其中接合層包括焊料部分和Cu6Sn5部分，焊料部分包含至少錫，Cu6Sn5部分設置在鎳層和焊料部分之間，Cu6Sn5部分與鎳層的表面的一部分接觸并且不與鎳層的表面的其它部分接觸，以及接合層中包含的銅的比例是2.0wt %或者更高。
[0009]根據本發明的第三方案，提供了半導體裝置，其包括:半導體元件；接合構件，在該接合構件上上設置有鎳層；以及接合層，接合構件通過所述接合層與半導體元件接合，其中接合層包括焊料部分和Cu6Sn5部分，焊料部分包含錫和銅，以及Cu6Sn5部分設置在鎳層和焊料部分之間，焊料部分中包含的銅的重量低于焊料部分的重量的0.9wt%。
【附圖說明】
[0010]下文將參考附圖描述本發明的示例性實施方式的特征、優勢以及技術及工業重要性，其中類似標記指代相似元件，并且其中:
[0011]圖1是示出半導體裝置的示意圖；
[0012]圖2是示出由虛線包圍的圖1的部分的放大視圖；
[0013]圖3是示出鎳層和Cu6Sn5部分之間的接合界面的特性的圖；
[0014]圖4是示出制造半導體裝置的方法的圖；
[0015]圖5是Cu-Sn 二元相圖；
[0016]圖6是示出圖5的部分(Sn:80至100)的放大視圖；
[0017]圖7是示出在實施例1的半導體裝置中半導體元件和接合構件之間的接合界面的SEM圖像；
[0018]圖8是示出在重復加熱實施例1的半導體裝置之后半導體元件和接合構件之間的接合界面的SEM圖像；
[0019]圖9是示出在對比實施例1的半導體裝置中半導體元件和接合構件之間的接合界面的SEM圖像；以及
[0020]圖10是示出在重復加熱對比實施例1的半導體裝置之后半導體元件和接合構件之間的接合界面的SEM圖像。
【具體實施方式】
[0021]參考圖1，將描述半導體裝置100。在半導體裝置100中，半導體元件6布置于兩個金屬板2、10之間，且部件通過模制樹脂8而形成。金屬板2、10對應于半導體裝置100的電極板。此外，金屬板2、10對應于散熱片，散熱片消散半導體元件6的熱至半導體裝置100的外部。每個金屬板2、10的一個表面從樹脂8的表面露出。在圖1中，連接至半導體元件6的端子、焊線等未示出。
[0022]接合層4設置在半導體元件6和金屬板2之間。更具體來說，半導體元件6的設置在金屬板2側(下文，稱為“背面