半导体装置及其制造方法与流程

1.本公开涉及一种半导体装置和制造所述半导体装置的方法。


背景技术：

2.jp 2015-65301 a公开了一种半导体装置，该半导体装置具有利用锡基(tin(sn)-based)焊料层接合到衬底的半导体元件。锡晶体具有各向异性。锡基焊料层因温度变化而产生非弹性应变(inelastic strain)，这种非弹性应变具有各向异性。所述非弹性应变在锡晶体结构的c轴(c-axis)方向最大。当重复力施加在非弹性应变大的方向上时，锡基焊料层的劣化可能加速。因此，在jp 2015-65301中描述的技术中，锡基焊料层形成为使得锡基焊料层中所包含的锡晶体的c轴与锡基焊料层的最大应力(stress)方向正交。作用在衬底与半导体元件之间的焊料层上的最大应力面向平行于衬底的方向。换言之，在jp2015-65301中描述的技术中，锡基焊料层形成为使得锡基焊料层中所包含的锡晶体的c轴面向衬底的法线方向。
3.另一方面，当电流流过焊料层时，会发生称为电迁移(electromigration)的现象，如jp 2016-51844 a中所述。电迁移是金属因电子流动而变形的现象。与其他金属例如铜(cu)相比，锡(sn)倾向于由于电子流动而使原子转移。即，在锡基焊料层中很可能进行电迁移。随着电迁移在锡基焊料层中进行，锡基焊料层中的金属分布变得不均匀。即，锡基焊料层可能劣化。当锡晶体中c轴的取向与电子流的方向一致时，很可能会进行电迁移。在衬底与半导体元件通过半导体装置中的焊料层进行接合的情况下，电子、即电流主要在正交于衬底的方向流动。换言之，当锡基焊料层形成为使得锡基焊料层中包含的锡晶体的c轴面向正交于衬底的方向时，可能进行电迁移。jp 2016-51844 a描述了锡基焊料层形成为使得锡晶体的c轴平行于衬底。


技术实现要素：

4.为了降低锡基焊料层的非弹性应变，锡晶体的c轴可以取向为正交于衬底的方向，但在这种情况下，电迁移的影响可能会变得更大。为了减少电迁移对锡基焊料层的影响，锡晶体的c轴可以与衬底的法线正交，但在这种情况下，非弹性应变可能会变得更大。本公开的目的是提供一种对非弹性应变和电迁移都具有更大阻力的半导体装置，以及一种制造所述半导体装置的方法。
5.根据本公开的第一方面，一种半导体装置包括衬底、半导体元件和锡基焊料层。所述半导体元件在与所述衬底正交的方向面向所述衬底。与所述衬底正交的方向是所述衬底的法线方向。所述衬底的法线方向对应于所述衬底的法线。所述锡基焊料层将所述半导体元件接合到所述衬底。所述锡基焊料层包括中心部分和周边部分。从所述法线方向观察，所述周边部分围绕所述中心部分。所述锡基焊料层包括具有c轴的锡晶体，并且所述c轴位于所述中心部分和所述周边部分中的每一个处。所述中心部分处的c轴以相对于所述法线成大于45度的角度与所述法线相交。所述周边部分处的c轴以相对于所述法线成小于或等于
45度的角度与所述法线相交，或者平行于所述法线。
6.在上述半导体装置中，在所述锡基焊料层的所述中心部分，c轴以相对于所述衬底的法线成大于45度的角度与所述衬底的法线相交。如果c轴以相对于所述衬底的法线成大于45度的角度与所述衬底的法线相交，则即使非弹性应变不减少，所述锡基焊料层也能抑制电迁移的影响。由于在所述周边部分处的c轴以相对于衬底的法线成小于或等于45度的角度与衬底的法线相交或c轴与法线平行，因此即使抑制电迁移影响的效果相对较小，锡基焊料层的非弹性应变也变得更小。但是，所述周边部分具有比所述中心部分更小的电流。由于电流较小，所以整体考虑半导体装置，在所述周边部分处的电迁移的影响相对较小。另一方面，通过抑制所述周边部分处的非弹性应变，也抑制被所述周边部分包围的所述中心部分的应变。本说明书中描述的半导体装置对非弹性应变和电迁移都具有更高的阻力。
7.在所述中心部分，c轴与所述衬底的法线正交。在所述锡基层中，所述中心部分具有比所述周边部分更大的电流。因此，如果在所述中心部分所述c轴与所述衬底的法线正交，则可以获得对电迁移更高的阻力。相反，由于所述周边部分中没有大量电流流动，因此电迁移的影响相对较小。
8.根据本公开的第二方面，提供一种方法制造包括衬底、半导体元件和锡基焊料层的半导体装置。所述半导体元件在与所述衬底正交的方向上面向所述衬底。与所述衬底正交的方向是所述衬底的法线方向。所述锡基焊料层将所述半导体元件接合到所述衬底。该方法包括：第一工序，其加热和熔化被布置在所述半导体元件与所述衬底之间的锡基焊料材料；以及第二工序，其冷却已熔化的锡基焊料材料，并使锡基焊料固化。在第二工序中，在所述衬底与冷却器之间夹置有传热板。所述传热板包括：第一区域，在法线方向观察时其面向锡基焊料层的中心部分；以及第二区域，在法线方向观察时其面向锡基焊料层的周边部分。在法线方向观察时所述周边部分包围所述中心部分。所述第一区域具有比所述第二区域更高的热流率。
9.当采用所述传热板时，在所述锡基层的中心部分处热量在所述衬底的法线方向上流动。在所述周边部分处，热量在关于法线方向倾斜的方向上流动。熔化的锡基焊料层结晶成使得c轴垂直于热流的方向。因此，通过采用上述传热板，所述锡基焊料层可以形成为使得在所述中心部分处所述c轴与所述衬底的法线正交，并且使得在所述周边部分处所述c轴关于所述衬底的法线倾斜。
附图说明
10.本公开的其他目的、特征和优点将从以下参照附图所作的详细描述中变得更加明显。在附图中：
11.图1是根据第一实施例的半导体装置的平面图；
12.图2是沿图1所示的线ii-ii截取的半导体装置的截面图；
13.图3是根据第二实施例的半导体装置的截面图；
14.图4是根据第三实施例的半导体装置的截面图；
15.图5是显示第四实施例中半导体装置的制造工序的图；和
16.图6是显示第四实施例中半导体装置的另一制造工序的图。
具体实施方式
17.(第一实施例)
18.下面参照图1和2描述根据第一实施例的半导体装置2。图1例示半导体装置2的平面图。图2例示半导体装置2的横截面图。图2例示沿图1中的ii-ii线截取的半导体装置2的横截面。半导体装置2是其中半导体元件10接合在衬底20上方的装置。
19.在图1和图2中的每个图的坐标系中，z轴对应正交于衬底20的方向。正交于衬底20的方向也可以称为衬底20的法线方向。衬底20的法线方向对应于下面描述的衬底20的法线22。半导体元件10在衬底20的法线方向上面向衬底20。
20.焊料层30将半导体元件10接合到衬底20。以下，在法线方向(即衬底20的z向)观察的焊料层30的中心部分也可以称为中心部分32，并且在法线方向观察的围绕中心部分32的区域也可以称为周边部分33。
21.半导体元件10是功率晶体管(power transistor)，并且具有布置集电极11的一个表面和布置发射极12的另一表面。图2省略了集电极11和发射极12以外的半导体元件的结构的图示。在衬底20上形成布线图案21。布线图案21是指形成在衬底20的表面处的导电路径。
22.衬底的布线图案21与作为半导体10的电极之一的集电极11彼此面对。焊料层30与布线图案21和集电极11接触。在衬底20上安装有电路(未图示)，并且焊料层30和布线图案21将半导体元件10的集电极11电连接到该电路。未示出将发射极12电连接到该电路的构件。
23.焊料层30含有锡(sn)。含锡的焊料也可称为锡基焊料层。焊料层30是锡基焊料层。作为锡基焊料材料的示例，可以采用sn-3ag-0.5cu合金。锡在焊料层30中结晶。锡晶体的c轴31的取向在焊料层30的中心部分32中和在焊料层30的周边部分33中不同。在不需要区分c轴31a和c轴31b这两者的情况下，在中心部分32处的c轴31a和在周边部分33处的c轴31b可以表述为c轴31。
24.在中心部分32处的c轴31a以相对于法线22成大于45度的角度与衬底20的法线22相交。在周边部分33处的c轴31b以相对于法线22成45度或更小的角度与法线22相交。可替代地，周边部分33处的c轴31b平行于法线22。
25.在图2、图3、图4中，角度ang-a表示由中心部分32处的c轴31a与法线22所形成的角度，并且角度ang-b表示由周边部分33处的c轴31b与法线22所形成的角度ang-b。c轴31与法线22所形成的角度是指由两条线所形成的锐角。以下也可以表示钝角侧的角度。例如，由中心部分32处的c轴31a与法线22所形成的角度ang-a可以大于45度且小于135度，并且由周边部分33处的c轴31b与法线22所形成的角度ang-b可以小于或等于45度或者可以大于或等于135度。
26.下面描述在中心部分32和周边部分33处的c轴31不同取向的优点。在锡基焊料层中，当焊料内部的锡晶体的c轴的取向匹配电流方向时，电迁移进行，换句话说，焊料劣化。当c轴的取向与电流方向正交时，电迁移的进程是最慢的。在锡基焊料中，在c轴方向上的非弹性应变变得大于其他方向的非弹性应变。因此，当c轴的取向与作用在焊料上的最大应力的方向一致时，焊料中产生的非弹性应变变大。换言之，由压力引起的劣化发展。相反，当c轴的取向与最大应力的取向正交时，非弹性应变变得最小。换言之，由应力引起的劣化发展
变得最慢。
27.在夹置在衬底20和半导体元件10之间的焊料层30中，电流朝向衬底20的法线22的方向，并且最大应力的方向与法线22正交。当c轴31以相对于法线22成大于45度的角度与法线22相交时，抑制电迁移的效果大于抑制非弹性应变的效果。当c轴以相对于法线22成小于或等于45度的角度与法线22相交时，抑制非弹性应变的效果大于抑制电迁移的效果。
28.因此，在具有比周边部分33更大电流的流动的中心部分32中，焊料层30布置成使得c轴31a以相对于法线22成大于45度的角度与法线22相交。在具有更大电流的流动的中心部分32中获得抑制电迁移的显著效果。在包围中心部分32的周边部分33中，焊料层30布置成使得c轴31b以相对于法线22成小于或等于45度的角度与法线22相交。在周边部分33中，获得了抑制非弹性应变的显著效果。如果在周边部分33中能够抑制非弹性应变，则也能够抑制由周边部分33包围的中心部分32中的非弹性应变。在中心部分32中，即使抑制由c轴的取向所引起的非弹性应变的效果较小，也能够获得抑制由周边部分33施加的非弹性应变的效果。半导体装置2的焊料层30对非弹性应变和电迁移都具有更高的阻力。
29.(第二实施例)
30.图3示出了根据第二实施例的半导体装置2a的截面图。在半导体装置2a中，在焊料层30的中心部分32处的c轴31a与法线22正交(ang-a＝90度)。包围中心部分32的周边部分33处的c轴31b与法线22平行(ang-b＝0度)。当c轴31的取向如上所述设定时，在中心部分32获得抑制电迁移的最大效果，并且在周边部分33中获得抑制由非弹性应变引起的劣化的最大效果。
31.(第三实施例)
32.图4示出了根据第三实施例的半导体装置2b的截面图。在半导体装置2b中，在焊料层30的中心部分32处的c轴31a与法线22正交(ang-a＝90度)。围绕中心部分32的周边部分33处的c轴31b以相对于法线22成45度角(ang-b＝45度)关于法线22倾斜。当c轴31的取向如上所述设定时，在中心部分32中获得抑制电迁移的最大效果，并且在周边部分33中获得抑制由非弹性应变引起的劣化的最大效果和抑制电迁移的最大效果两者。
33.(第四实施例)
34.下面描述用于制造在第一实施例中描述的半导体装置2的方法。该制造方法包括第一工序和第二工序。在第一工序中，布置在衬底与半导体元件之间的锡基焊料材料被加热和熔化。如图5所示，例如，衬底20、半导体元件10和锡基材料35被放置在高温炉60中加热。锡基材料35夹置在衬底20与半导体元件10之间。在第二工序中，熔化的焊料材料被冷却和固化。将固态的或膏状的焊料材料放置在所需位置且然后使焊料材料熔化的接合方法也称为再流焊(reflow soldering)工艺。
35.图6说明了第二工序。图6省略了布线图案21和电极11、12的图示。冷却器40附接到衬底20以使熔化的锡基焊料材料35固化。传热板50夹置在衬底20与冷却器40之间。传热板50具有第一区域51和第二区域52。在从衬底20的法线方向(即z方向)观察时，第一区域51面向半导体元件10的中心部分32。第二区域52面向围绕中心部分32的周边区域33。第一区域51处的热导率高于第二区域52处的热导率。热导率也可以称为热流率(rate of heat flow)。
36.熔化的锡基材料35的热量通过传热板50传递到冷却器40。由于中心部分32面向具
有较高热导率的第一区域51，因此中心部分32的热量在平行于衬底20的法线22的方向，换言之，附图的坐标系中的z轴的方向，进行传递。虚线箭头线53表示在焊料层30的中心部分32处的热传递方向。
37.周边部分33面向具有较低热导率的第二区域52。周边部分33的热量不在平行于法线的方向流动，而是在倾斜的方向流动以接近具有较高热导率的第一区域51。虚线箭头线54表示周边部分33处的热传递方向。在锡固化的情况下，锡结晶为使得c轴与热流正交。因此，在中心部分32处c轴31a垂直于法线22即z轴，并且在周边部分33处c轴31b相对于法线22即z-轴倾斜。通过适当地确定传热板50的第一区域51与第二区域52之间的边界的位置，能够设定周边部分33处的c轴31b与法线22(即z轴)之间的45度或更小的角度。因而获得了在第一实施例中描述的半导体装置2。
38.由于第二区域52的热导率低于第一区域51的热导率，因此第二区域52可以是间隙或空隙。
39.下面描述关于上述实施例的技术要注意的点。半导体元件10不仅限于晶体管。
40.焊料层30的中心部分32与周边部分33之间的边界可以不必清楚地设定。换言之，在中心部分32与周边部分33的边界区域中，c轴31的取向可以逐渐改变。c轴31a在中心部分32的大部分区域可以以相对于法线22成大于45度的角度相交，并且c轴31b可以以相对于法线22成小于或等于45度的角度相交。可替代地，c轴31b在周边部分33的大部分区域可以平行于法线。
41.尽管上面已经详细描述了本公开的具体示例，但是这些仅仅是示例并且不限制本说明书的范围。本说明书中描述的技术包括对上述具体示例的各种修改和变型。另外，本说明书或附图中描述的技术要素单独或通过各种组合发挥技术上的有用性，并不限定于在提交申请时本说明书中描述的组合。此外，本说明书或附图中所例示的技术可以同时实现多种目的，并且实现其中一种目的本身具有技术有用性。