半导体装置及其制造方法
【专利说明】 半导体装置及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张以日本专利申请第2014 - 39968号(申请日:2014年2月28日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
[0003]本发明的实施方式涉及半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0004]在半导体装置中，例如，作为半导体元件与安装基板的接合材料，使用焊料接合。接合材料能够以低于半导体装置的耐热温度的温度进行接合，并在接合后具有半导体装置的动作温度以上的耐热性是必要的。此外，接合材料还要求不断裂的疲劳寿命。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种能够提高耐热性和疲劳寿命的半导体装置及其制造方法。
[0006]实施方式的半导体装置的特征在于，具备:半导体元件；具有含铜的布线层的安装基板；以及接合层，设置在上述半导体元件与上述布线层之间，含有由铜和铜以外的金属形成的合金，上述合金的熔点比上述金属的熔点高。
【附图说明】
[0007]图1是第一实施方式的半导体装置的示意平面图。
[0008]图2是同一半导体装置的A — A’线的剖面图。
[0009]图3是同一半导体装置的A — A’线的接合前的剖面图。
[0010]图4是Cu - Zn 二元系平衡状态图。
[0011]图5是Cu - Zn 二元系合金的机械性质。
[0012]图6是Cu - Sn 二元系合金的机械性质。
[0013]图7是Al - Zn 二元系平衡状态图。
【具体实施方式】
[0014]以下，参照【附图说明】实施方式的半导体装置。另外，本实施方式不限定本发明。
[0015](第一实施方式)
[0016]对于第一实施方式的半导体装置I的结构，参照图1以及图2进行说明。图1是表示第一实施方式的半导体装置I的一例的示意平面图，图2示出图1的A — A’处的剖面图。
[0017]半导体装置I具有半导体元件11、接合层12、安装基板16。安装基板16具有第I布线层13、绝缘基板14、第2布线层15、第I面14a、和与第I面14a相反的第2面14b。
[0018]第I布线层13设于绝缘基板14的第I面14a。第2布线层15设于绝缘基板14的第2面14b。接合层12设于第I布线层13。半导体元件11经由接合层12设于安装基板16。
[0019]半导体元件11的半导体材料例如使用硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。绝缘基板14例如使用氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)等。第I布线层13以及第2布线层15使用铜(Cu)。接合层12使用Cu为40wt%以上、锌(Zn)为60wt%以下的Cu - Zn合金。
[0020]接合层12的厚度例如是I μ m以上100 μ m以下左右。若超过100 μ m,则形成接合层12之前的时间变长，量产性显著降低。优选的接合层12的厚度是5 μ m以上50 μ m以下，更优选的接合层12的厚度是5μπι以上20μπι以下。若使接合层12的厚度薄，则热阻降低，进行高效的散热。
[0021]接着说明半导体装置I的制造方法。如图3所示，在设于绝缘基板14的第I面14a的由Cu形成的第I布线层13上的规定位置，利用镀覆法形成由Zn形成的金属层17。并且，在金属层17之上载置半导体元件11。镀覆法是一例，也能利用溅射法、真空蒸镀法、涂敷法等薄膜形成技术来形成。
[0022]在惰性环境中对安装基板16以及半导体元件11施加规定的压力，并且以金属层17的熔点(Zn的熔点:419°C )以上且半导体元件11及安装基板16的耐热温度以下的温度进行保持。通过将金属层17作为液相状态保持规定时间，第I布线层13的成分(Cu)和金属层17的成分(Zn)相互扩散。于是，形成图2所示的由Cu - Zn合金形成的接合层12，安装基板16与半导体元件11被接合。另外，纯Zn由于蒸气压高，所以若在真空中加热到熔点附近，则在熔融前升华。因此，真空环境以外是优选的。
[0023]第I布线层13与金属层17间的相互扩散量依赖于接合时的保持温度、保持时间、环境、施加压力、金属层17的厚度。因此，在接合层12的组分为Cu在40wt%以上、Zn在60wt%以下的Cu - Zn合金的条件下进行。形成的接合层12成为具有约830°C以上的高熔点的Cu - Zn合金。
[0024]接着说明半导体装置I的效果。图4是Cu - Zn 二元系平衡状态图。与接合前的金属层17的熔点(Zn的熔点:419°C )相比，由Cu — Zn合金形成的接合层12的熔点(Cu为40wt%以上、Zn为60wt%以下的Cu - Zn合金的熔点:约830°C以上)变高。因此，抑制接合时的保持温度对半导体装置I带来的热影响，能够得到接合后的高耐热性。
[0025]图5表示Cu - Zn 二元合金的机械性质(1.5mm退火板)。Cu - Zn 二元合金中，若Zn成分量增加，则与纯Cu相比，拉伸强度和延展性增加，因此半导体装置I在使用时的热应力容易通过形成于接合层的Cu-Zn合金的变形而被吸收，能够对接合层赋予高的耐热循环性(heat cycle resistance)。但是,若Zn成分量过于增加,贝U延展性减小,难以变形，因此耐热循环性降低。因此，Cu为40wt%以上、Zn为60wt%以下的Cu — Zn合金是优选的。
[0026]为了进行比较，作为以往例，说明使用Cu与Sn的合金即Cu-Sn 二元合金的情况。图6表不Cu-Sn 二兀系合金的机械性质(A:退火后的铸件，B:铸件)。Cu - Sn 二兀系合金随着Sn成分量的增加而延展性(图中的A δ及Βδ)急剧降低，不易因外力而变形。因此，无法通过变形来吸收半导体装置I使用时的热应力。例如，在将含有SiC作为主材料的半导体元件11和含有Cu作为主材料的安装基板16经由接合层12进行了接合的情况下，通过在大的温度差的热循环环境下的使用，半导体元件11达到损坏的可能性变高。这样，通过使用Cu-Zn 二元系合金作为接合层12，能够期待耐热性和疲劳寿命的大幅提高。
[0027](第二实施方式)
[0028]下面，使用图2说明第二实施方式。另外，对于第二实施方式，对与第一实施方式相同的点省略说明，对不同点进行说明。
[0029]第二实施方式与第一实施方式的不同点在于，接合层12中使用Cu为40wt%以上、Zn为60wt%以下、铝(Al)为Zn的20wt%以下的Cu-Zn- Al合金。
[0030]接着说明半导体装置I的制造方法。对金属层17使用Zn - Al合金，并以金属层17的熔点(Zn - Al的熔点:382°C )以上的温度进行保持。通过将金属层17作为液相状态保持规定时间，第I布线层13的成分(Cu)与金属层17的成分(Zn -Al)相互扩散，形成由Cu — Zn - Al合金形成的接合层12，安装基板16与半导体元件11被接合。
[0031]接着说明半导体装置I的效果。图7是Al -Zn 二元系平衡状态图。与Zn的熔点(419°C )相比，通过添加Al，能够降低到382°C。因此，作为金属层17，通过使用Zn - Al来代替Zn，能够进一步降低接合时的保持温度，能够抑制对半导体装置I带来的热影响。但是，若Al成分量过度增加，则熔点上升。因此，Cu为40wt%以上、Zn为60wt%以下、Al为Zn的20wt%以下的Cu-Zn- Al合金是优选的。
[0032]说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并包含在权利要求书所记载的发明及其等同范围内。
【主权项】
1.一种半导体装置，具备: 半导体元件； 安装基板，具有含铜的布线层；以及 接合层，设置在上述半导体元件与上述布线层之间，含有由铜和铜以外的金属形成的合金，上述合金的熔点比上述金属的熔点高。2.如权利要求1记载的半导体装置， 上述金属是锌，上述合金中，铜为40wt%以上，锌为60wt%以下。3.如权利要求1记载的半导体装置， 上述金属是锌及铝，上述合金中，铜为40wt%以上，锌为60wt%以下，铝为锌的20wt%以下。4.如权利要求2或3记载的半导体装置， 上述接合层的厚度是Ium以上100 u m以下。5.一种半导体装置的制造方法，具备以下工序: 在含铜的布线层之上设置铜以外的金属的工序； 在上述金属之上搭载半导体元件的工序；以及 将上述金属加热到比上述金属的熔点高的温度，在上述半导体元件与上述布线层之间形成比上述金属的熔点高的由铜和上述金属形成的合金的工序。6.如权利要求5记载的半导体装置的制造方法， 上述金属是锌，上述合金中，铜为40wt%以上，锌为60wt%以下。7.如权利要求5记载的半导体装置的制造方法， 上述金属是锌及铝，上述合金中，铜为40wt%以上，锌为60wt%以下，铝为锌的20wt%以下。8.如权利要求6或7记载的半导体装置的制造方法， 将上述接合层的厚度形成为I μ m以上100 μ m以下。
【专利摘要】本发明提供一种能够提高耐热性和机械强度的半导体装置及其制造方法。实施方式的半导体装置具备：半导体元件；具有含铜的布线层的安装基板；以及接合层，设置在上述半导体元件与上述布线层之间，含有铜和铜以外的金属的合金，上述合金的熔点比上述金属的熔点高。
【IPC分类】H01L23/532, H01L21/768
【公开号】CN104882433
【申请号】CN201410341174
【发明人】佐佐木遥, 山本敦史, 久里裕二, 松村仁嗣
【申请人】株式会社东芝
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2014年7月17日
【公告号】US20150249046